氣墊導軌在力學探究實驗中的兩個妙用
2007-12-31 00:00:00陳春麗
物理教學探討 2007年11期
在力學的探究實驗中，經常會碰到與摩擦力有關的問題。與摩擦力有關的實驗，可以用氣墊導軌來解決，實驗結果更精確。
氣墊導軌是利用氣源將空氣打入導軌內空腔，再由導軌表面上的小孔噴出氣流，在導軌與滑行器之間會形成很薄的氣膜，將滑行器浮起，使滑行器與導軌之間的摩擦力減少到可以忽略的程度。再忽略空氣阻力，滑行器就可看作是沒有受阻力的物體，大大減少由于摩擦力而誤差，實驗結果接近理論值。
妙用一 用氣墊導軌來探究加速度與力、質量關系
課本中用兩小車在光滑水平木板上的運動，通過兩小車的位移之比來確定加速度之比。這個實驗誤差在與：兩小車所受摩擦力不可能完全相同，在兩小車質量不同時誤差更大。
改用氣墊導軌完成此實驗，可以減少誤差。實驗步驟如下：
（1）調節氣墊導軌呈水平狀態，保持滑行塊（即小車）的質量不變，改變對滑行塊的拉力，即改變與滑行塊相連的吊桶的質量。本實驗每次在桶里加10g砝碼，用電腦數字計時器記錄滑行塊經過兩光電門的時間，計算它的加速度。畫出a-f圖像，探究加速度與力的關系。從圖1中可知a與f成正比。
（2）調節氣墊導軌呈水平狀態，保持滑行塊（小車）的拉力不變，改變滑行塊的質量，本實驗每次在滑行塊上加50g的配重塊，用電腦數字計時器記錄滑行塊經過兩光電門的時間（表2），計算它的加速度，畫出加速度與質量倒數關系圖如圖2所示，探究加速度與質量倒數的關系。從圖2中可知a與m成反比。
妙用二 用氣墊導軌來探究功與速度變化關系
在《物理》新教材探究功與物體速度變化的關系的實驗中，是采用小車在橡皮筋作用下在木板上滑行，用打點計時器測出小車獲得的速度，作出W-v曲線來進行定量關系分析。這個實驗的要點是調節木板的傾斜度，使小車重力沿木板斜面上的分力與小車所受的摩擦力平衡，這樣小車只有橡皮筋的彈力做功來探究實驗。但在實驗操作過程中發現平衡摩擦力不是很容易做到的事，并且木板上每處的摩擦因數不可能完全相同，這都會給實驗增加了誤差。現用氣墊導軌來探究功與速度變化關系。
（1）實驗裝置：氣墊導軌放在水平面上，在滑行器與氣墊導軌一端綁上細線，細線上打一小結，以便用回形針把它們鉤住，拆開回形針（留一個鉤）一端捆在橡皮筋上，另一鉤鉤住滑行器，橡皮筋另一端用回形針與氣墊導軌端部相連。所用的橡皮筋要求長度相等，粗細均勻。在橡皮筋的自由長度附近裝兩個光電門，用數字計數器記錄時間。
（2）原理分析：調節氣墊導軌呈水平狀態，此時滑行器受到重力，支持力與橡皮筋的彈力作用，氣墊導軌呈水平狀態時重力沿水平方向無分力，重力與支持力平衡，滑行器只受橡皮筋的彈力作用，打開氣源，滑行器在軌道上的運動情況是：加速度在減小的加速運動，當橡皮筋恢復原長，彈力消失，滑行器做勻速運動，此時速度最大，這也是我們要測的速度。當在自由長度附近處的兩光電門所記錄時間一樣時，所測得速度最準確。由于橡皮筋的彈力是變力，所作的功是變力功，不能用公式計算功的大小，但我們可用相同的橡皮筋不同根數并聯來測定功與速度關系，
每次滑行器起啟位置相同，記錄下不同根數時擋光片經過光電門的時間（表3），計算所得速度。
（3）數據記錄與Excel數據處理
（4）結果分析：從W-v圖（圖3），W-v2圖（圖4），W-v3圖中（圖5），我們不難發現，W-v與W-v3呈非線性關系，W-v2呈線性關系，所以W與v2成正比，即W∝v2。
在上面兩實驗中，采用氣墊導軌與Excel數據處理相結合的方法。隨著信息技術的發展，中學物理的實驗手段在不斷進步，運用“傳感器”把物體在導軌上運動的位移、時間、速度轉換成電信號，經過計算機的運算，還可以立刻在光屏上顯示出運動狀態，自動繪制圖象。（編者注：讀者可參閱本刊2006年度發表的介紹DIS實驗技術的系列文章，可在2006年12期（上半月）61-62頁本刊2006年度文章總目錄中查詢。）
氣墊導軌在力學實驗中有更多的用途，如驗證動能定律，驗證動量守恒定律等，極大地減少在力學實驗中由于摩擦力而出現的較大誤差，使實驗結果接近理論值，實驗現象更加真實、直觀，易為學生接受。
(欄目編輯王柏廬)
