普通物理实验MATCH_
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_1713561829326_2性实验报告
实验
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
目:气垫导轨测本地重力加速度 班 级: 物理学12级(1)班 学 号: 2012450002 姓 名: 王书琴 指导教师: 粟 琼
凯里学院物理与电子工程学院
2013 年 10 月
实验题目:气垫导轨测本地重力加速度
一、 实验目的
1、用倾斜气垫导轨测定重力加速度;
2、分析和修正实验中的部分系统误差分量(主要由粘滞阻尼力产生)。 二、 实验仪器及用具
气垫导轨、计时计数测数仪、物理天平、滑块、游标卡尺、垫块若MUJB,5
干、直尺
气轨简介:
1、导轨
导轨是用三角形铝合金材料制成。可以调节其平直度，两侧面非常平整，并
且均匀分布着许多很小的气孔。导轨一端封闭上面装有定滑轮，另一端有进
气嘴，通过皮管与气源相连。当压缩空气进入导轨后，从小气孔喷出，在导
轨和滑块中间形成空气层，导轨和滑块两端都装有缓冲弹簧，使滑块可以往
返运动。在工字钢底部装有3个底角螺丝，用来调节导轨水平，或将垫块放
在导轨底角螺丝下，以得到不同的角斜度。
2、滑块
滑块装置
滑块是在导轨上运动的物体，一般用角铝制成，内表面经过细磨，能与导轨
的两个侧面很好的吻合。当导轨中的压缩空气由小孔喷出时，垂直喷射到滑
块表面，它们之间形成空气薄层，使滑块浮在导轨上。根据实验要求，滑块
上可以安装挡光板、重物或是砝码。
3、光电转换装置
光电转换装置又称光电门，由聚光灯泡和光电管组成，立在导轨的一侧。光
电管与数字毫秒计相连接。当有光照到光电管上时，光电管电路道通，这时
如挡住光路，光点管为断路，通过数字毫秒计门控电路，输出一脉冲使数字
毫秒计开始或停止计时。滑块上的挡光片在光电门中通过一次,数字毫秒计将
显示出从开始计时到停止计时相应的时间t。
4、调节螺钉与垫块
导轨的一端是单脚螺钉，另一端是双脚螺钉，主要供调节导轨水平使用，垫
2
块用来改变气垫的斜度。根据要求可将不同尺寸的垫块放在导轨单脚螺钉下
得到不同斜度的斜面。一般滑块被托起的高度为10-100mm。 三、 实验原理
1、倾斜轨上的加速度与重力加速度g之间的关系 a
设导轨倾斜角为 ，滑块质量为m，则
mamg,sin, „„„„„„(1)
a上式是在滑块运动时，不存在阻力时才成立，则有 „„„„(2) g,sin,
F实际上滑块在气轨上运动虽然没有接触摩擦，但是有空气层的内摩擦，其阻力和平均速阻度成比例，即
Fbv, „„„„„„„(3) 阻
上式的比例系数b，称为(等效)粘性阻尼系数。考虑此阻力后，式(1)为
mamgbv,,sin, „„„„„„(4) 整理后，重力加速度g等于
bva，bvv，，，ABmgg,,， „„„„„(5) 修sin2sin,,m
此实验将依据(5)式去求重力加速度。
2、导轨的调平
由于实验室的导轨存在一定程度的弯曲，因此“调平”的意义是指将光电门A、B所在两点，调到同一水平线上。
假设两导轨上A、B所在两点已经在同一水平线上，则在A、B间运动的滑块，因为导轨弯曲对它运动的影响可以抵消，但是滑块与导轨间还存在少许阻力，所
vvvv以以速度通过A门的滑块，到达B时的速度，将是<。由于阻力产生ABBA
,v的速度损失等于
bs,,v „„„„„„„„(6) m
式中b为粘性阻尼系数，s为光电门A、B的距离，m为滑块的质量。
3
检查调平的要求:
(1) 滑块从A向B运动时，v
v.由于挡光片宽相同，所以A,BABBA
时t>t,相反时t
记录
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及数据处理，误差分析;
8、整理实验仪器。
6
五、 实验内容
1、打开电源和气泵，使仪器正常供气;
2、用纱布蘸少许酒精擦拭轨面(在供气时)和滑块内表面，用薄纸片小纸条检查气孔有否堵塞;
3、调节光电计时系统，使其正常工作:把两光电门固定在导轨的适当位置上(A=40cm处，B在90cm处，间距为50cm厘米)，并按规定和计时器连接好。 光电门的使用注意事项:
(1)检查光电门高度位置，保证滑块运动过程顺畅;即调节滑块上的挡光片和光电门相对位置，接通气源后，挡光片随滑块运动经过光电门时能实现自动挡光计时;b)通电以后检查光电门的系统是否正常，可用光片挡光看计时器有没有计时; (2)光电门的触发计时原理记录一个脉冲所经历的时间，即经过挡光片的两个挡光前沿的时间;
(3)光电门要垂直气垫导轨安装，使用之前检查其是否倾斜，若倾斜请纠正。经过挡光片的两个挡光前沿的时间;如相应的挡光片宽度为d，则可得出滑块通t
vv，AB过光电门的平均速度。 v,2
4、气垫导轨的调平
(1)粗调:
气轨通气后，将滑块放在气轨某处且确已被气流托起与气轨无干磨擦现象，观察滑块的运动状态。如果滑块向左运动，说明气轨右边高，调节气轨的一端底脚螺钉，降低右端高度，(或升高左端高度)直到滑块静止不动，(或极微小的滑动且无定向性)则可认为气轨已调平。原则上应把滑块放在气轨几个不同的地方进行调节，直到满足为止。因此，这仅作为粗调水平的方法。
(2)细调:
vvvvABBA?滑块从A向B运动时，>;相反时>.由于挡光片宽相同，所以A,B
ttttABBA时<,相反时<(速度均取正值);
,v,v?由A向B运动时的速度损失，要和相反运动时的速度损失尽量接ABBA
,,,ttBA近。若<1% ，则可以认为导轨已调平; ,tA
7
5、测粘性阻尼系数:用物理天平测出滑块的质量，在气轨的一侧的标尺上读m
''vv出两光电门的距离，沿一个方向测出v,, , 取A?B和B?A各vsABAB，
,v测10组数据取与,v平均值代入公式计算; ABBA
6、测量挡光片第一前沿到第二前沿的距离d，测出滑块挡光片通过A、B门的时
tt间长度及，各待测量分别测量10组数据; AB
7、将气轨一端垫高h，测出两支点间距离L(即两底脚螺丝之间的距离)，如下
图示
则
h sin,,L
8、 依据式(5)计算当地的重力加速度的值及修正后的重力加速度，再求出gg修
修正前及修正后的相对误差; Eg
9、 最后得出实验结论，进行误差分析。
六、 数据记录及处理
1、物理天平称滑块质量
,,0.05gmg,241.80
2、直尺测光电门间的距离
,,0.1cmscm,50.00
3、直尺测挡光片第一前沿到第二前沿的距离
,,0.1cmdcm,1.00
4、在导轨一侧读出两支点间距离
,,0.1cmL, 113.50 cm
5、气垫导轨的调平
,,0.01ms 时间单位:ms
8
'',t ,t ,tt 项目 ABBA
数据记录 22.53 22.74 25.02 25.26
,,,ttBA 0.0093 0.0096 ,tA
6、滑块通过光电门时速度的测量(求粘性阻尼系数b)
单位: ,=0.01/cmscms/
,,31bkgs，,10/ 项目 ，，'',vv v ,v vvABABBABA次数
1 57.67 57.10 49.17 48.57 0.57 0.60 2.820
2 57.21 56(56 48.88 48.28 0.65 0.60 3.023
3 54.26 53.58 46.79 46.23 0.68 0.56 2.998
4 53.16 52.56 45.31 44.67 0.60 0.64 2.998
5 55.46 54.92 47.48 46.86 0.54 0.62 2.805
6 54.47 53.82 47.04 46.44 0.63 0.60 2.974
7 55.86 55.25 48.59 47.96 0.59 0.63 2.988
8 54.61 53.03 47.04 46.42 0.58 0.62 2.902
9 57.70 57.06 52.69 52.09 0.64 0.60 2.997
10 58.00 57.34 53.13 52.50 0.59 0(63 2.970
,,31bbukgs,，,,，,(2.97600.0583)10结果: Cb，，
表1
数据处理:
,,31Gn,2.41,,n,10 bkgs,，,2.97610，，
2n
bb,，，,i,31,1i,sbkgs,,，,0.099310 ，，n,1
,3,1 ？，,，,bGnkgs,3.36410,，，
9
,3,1 bGnkgs,,，,,2.97110,，，
,3,,,3112.971103.36410，,,,，,kgsdkgs
故无坏数据需剔除
2n
bb,，，,i,3,1,i1 0.031410？,,，,ukgsAb，，1nn,,，，
,,1ukgs,,,0.0058 Bb，，3
2231,, uuukgs,，,，,0.058310CbAbBb，，，，，，
,,31bbukgs,，,,，,(2.97600.0583)10 故结果报道为: Cb，，
7、比较重力加速度修正前后误差的有关数据
,,0.01msms 单位:,,0.02mm 计时记速测试仪: 游标卡尺:
次数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
项目
tms/17.91 17.87 17.90 17.85 17.87 17.87 17.81 17.86 17.91 17.81 A
tms/33.48 33.64 33.94 33.50 33.61 33.64 33.11 33.59 33.60 33.42 B
0.300 0.302 0.300 0.300 0.298 0.302 0.300 0.300 0.300 0.302 hcm/
2ams/ 0.026 0.031 0.028 0.034 0.027 0.032 0.031 0.029 0.032 0.031 ，，
g2953.86 960.21 956.20 955.61 956.35 959.36 962.35 958.24 960.26 962.61 未cms/ ，，
g2979.21 985.34 980.00 978.96 980.74 983.28 989.98 981.02 974.79 981.21 修cms/ ，，
,%2.734 2.086 2.495 2.555 2.478 2.173 1.868 2.287 2.081 1.842 ，，g
',%0.149 0.476 0.068 0.174 0.007 0.266 0.940 0.035 0.600 0.0551 ，，g
表2 将所测得b值及表2中的第一组数据代入(5)中有
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bv，a，bvv，，AB22m953.8625.35979.21/9.7921/,,，,，,,ggcmsms，，，，修,,sin2sinm
依此计算出剩下的九组重力加速度的值，分别填入表2中。由第一组得出修正后的数据与
2cms/当地公认值980.67相比较，相对误差为
gg-9.7921-9.8067修标' ,,==0.149%gg9.8067标
2cms/不加修正时第一组的g为953.86，相对误差为
gg-9.5386-9.8067标 ,,==2.734%gg9.8067标
将其它组数据像上式一样代入算出相对误差填入表2中。
七、实验结论
对表中的数据计算结果进行比较看出:经修正后的重力加速度的相对误差明显减小，并比较接近理论上的偶然误差。这说明，采用含有修正项的公式测重力加速度时，由空气的粘滞阻力所带来的系统误差得到了修正，得出的重力加速度值相比下很理想，达到了预期的目的。经修正后的实验数据较为准确，证实了粘滞阻尼力引起的实验误差得到修正。而修正后还存在误差，在前面的理论推导中已分析，滑块用1厘米挡光片的平均速度代替瞬时速度会引起较小的系统误差。另外，如果实验时，导轨一端垫起之前不能很好的调平，也会引起系统误差。但此项误差是可以避免的。实验结果也说明，以空气的粘滞阻力作为实验中的主要系统误差来源的考虑是正确的。
八、 实验误差分析
1、 粘滞阻尼力引起的系统误差，使所测得的重力加速度的测量值有偏差; 2、 实验室的气流波动对实验数据测量产生影响;
3、 气轨一端垫起之前不能很好的调平，也会产生误差;
4、 若在实验之前未将气轨表面清干净，则表面的灰尘会对滑块的运动产生阻力，亦会对
实验的结果产生误差;
5、 虽说仪器精确度很高，可是在实际中还是存在着系统误差;
6、 实验中用直尺、物理天平的等仪器，由于眼睛读数也会产生偏差，导致最终结果的误
11
差。
九、 注意事项
1、导轨表面和滑块都是经仔细加工，两者配套使用，不要随意更换。
实验中严禁敲、碰、划伤破坏表面的光洁度。导轨未通入压缩气体时，不许将滑块放在导轨上面滑动，滑块要夹装或调整档光板时，要把滑块从导轨上取下，装好后再放上去，以防挫伤表面;
2、实验前，导轨表面和滑块内表面要用棉花沾少许酒精擦洗干净。实验完毕，要先取下滑块，把所有的附件放入附件盒，然后再关掉气源;
3、检查轨面喷气孔是否堵塞:气轨供气后，用薄的小纸条逐一检查气孔，发现堵塞要用细钢丝通一下;
、数字毫秒计的使用注意事项:毫秒计是精密仪器，使用前应仔细阅读有关附录，如果4
仪器发生故障，要及时向 教师反映，不得自行随意乱按面板按键;
5、实验后取下滑块另外放置，用布罩好导轨。
十、实验感想
物理实验的过程是个训练学生动手能力的过程，尤其对于此次的设计性实验而言，
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
先由学生自己拟定，待通过老师考察再完成实验，实验中出现的各种困难自己想办法解决，通过在网上查找实验的相关资料、书籍及文献，增加了对实验探究问题的了解，同时增强了我们的思维能力及动手能力，发扬了创新精神。
即便在数据测量及数据处理部分出现不少的困难，但通过查找资料，最终难题得以解决，过程可谓艰辛，懂得想要完成一份设计性实验室多么的不容易。同时指导老师以启迪的方式激发学生的开拓性思维，让我们能更积极的去完成实验，带着一种好奇和乐趣的心态，让我们养成细心和坚持不懈的良好习惯。
若我们以后都能本着此次设计性实验的敢于探索、研究、发现这种思维去思考问题，相信未来的我们将潜力无穷，对我们的发展将起到推波助澜的作用。 参考文献:
1 麻金继，方正华. 倾斜气垫导轨上重力加速度测量方法的改进. 物理通,,
报
2杨述武. 普通物理实验一. 北京:高等教育出版社 ,,
3李仁芮. 用气垫导轨测重力加速度时系统误差的修正. 湖北:承德石油,,
12
高等专科学校学报，2002
4李寿松. 物理实验教程. 北京:高等教育出版社 ,,
5中国知网 ,,
13
浙公网安备 33021202002483