#動力導軌平臺設計性實驗講義（草）編寫：封玲物理教學實驗中心

動力導軌平臺系列設計實驗在工程等實際問題中，所接觸到的宏觀物體的運動速度都遠小于光速，經典動力學仍是解決實際工程問題的基礎。動力學是理論力學的一個分支學科，它主要研究作用于物體的力與物體運動的關系。動力學的研究對象是運動速度遠小于光速的宏觀物體。動力學以牛頓第二定律為核心，這個定律指出了力、加速度、質量三者間的關系。我們在動力導軌實驗平臺上可設計實驗進行碰撞現象的研究、簡諧振動的研究以及進行加速度、物體質量及導軌摩擦力等物理量的測量。平臺儀器動力導軌裝置 （ ）:導軌裝置易于安裝，可以精確調節到最小摩擦力，以適應做直線運動系列動力學實驗。裝置包括：,3、2.2m鋁制導軌，1、彈射小車 92、碰撞小車4、水平調節腳架 2個，5、可調擋板 2動力導軌裝置 （ ）:導軌裝置易于安裝，可以精確調節到最小摩擦力，以適應做直線運動系列動力學實驗。裝置包括：,3、2.2m鋁制導軌，1、彈射小車 92、碰撞小車4、水平調節腳架 2個，5、可調擋板 2個，6、帶夾固定滑輪1個，7、磁鐵緩沖器2個及其存儲管，8、諧振彈簧3個，9、摩擦塊1個，10、用于固定支撐棒的轉軸桿夾1個，11、12平臺儀器中英文說明及講義，13、500g金屬質量口個、 14、量角器1個。力傳感器：5力傳3感器7實際）上就是電阻應變片傳感器，該傳感器由彈性敏感元件與電阻應變片構成，彈性敏感元件在受力產生形變時，粘附在其表面的電阻應變片的電阻阻值也會發生變化，根據其阻值變化進而確定被測量的大小。該型號的力傳感器輸出電壓阻值也會發生變化，根據其阻值變化進而確定被測量的大小。該型號的力傳感器輸出電壓范圍-8V~+8V,測量范圍-50N~+50范圍-8V~+8V,測量范圍-50N~+50N,即-50N的力能產生-8V的電壓輸出，+50N的力能產生+8V的電壓輸出，0電壓則表示受力為0（一般將推力作為正值，拉力作為負值）。力傳感器安裝支架：5力傳感器安裝支架：5用于4支撐5安裝）力傳感器，便于導軌上各種條件下的受力測量。運動傳感器）7測量。運動傳感器）7：依4據超2聲波脈沖遇到目標后聲波反彈，探測其返回聲波的原理，與PASCO計算機接口配套使用，原理，與PASCO計算機接口配套使用，可計算出目標的距離，根據距離與時間的測量，程序還可計算出目標的速度和加速度。光電門( 4：9電門也稱為光電開關， 利用狹窄的紅外光束和快速的下降時間為計時提供精確的信號。 當光門的光被擋住時， 與光門相連的數字通道為 0電壓狀態；光門透光時，與光門相連的數字通道為 5V電壓狀態。光門傳感器相當于一個數字毫秒計，口通過測量固定擋光寬度( S)和擋光時間(t),從而可以得到該物體經過光門時的運動速度(v—S/1)。轉動傳感器( )：它的核心是一個光學編碼器，每轉口 360°)最多可采集 1440個數據點。通過數據采集與處理軟件可以設置每轉采集數據點的個數， 有360個數據點和1440個數據點(即分辨率為 1°或360°)兩種設置，旋轉的方向同樣可被感知。轉動傳感器最常用于測量物體的轉動角度與轉動位置。加速度傳感器 ( )58PASCO的計算機接口及其相關數據接口與處理軟件，可以測量 5倍于重力加速度的范圍，根據加速度的方向，該傳感器的輸出分正和負，可在+5g到-5g范圍內變化。其精度為 0.01g□g=□□□□□, 9.8m/s2)。電子天平( ):電子天平是外力作用于力傳感器的信號經電子電路處理，以數字形式顯示物體質量。該型號電子天平稱量范圍為 0—200g,分度值為 0.1mg。配件：砝碼若干、掛鉤 2個。設計類實驗項目題目物體運動的動力學規律研究設計內容：設計實驗方案研究物體運動的動力學問題： 加速度與拉力關系或加速度與質量關系、斜面上物體運動加速度與傾角的關系、力的合成與分解、超重與失重等。設計要求：1、設計實驗加深對牛頓第二定律的理解,在導軌上研究加速度與拉力的關系,或加速度與質量關系, ；2、使用多種測量方法測量斜面下滑物體的加速度,并討論斜面傾角與加速度的關系；3、根據共點力的合成符合力的平行四邊形定則,設計實驗研究力的合成與分解；4、利用平臺設備設計實驗,觀察超重與失重現象,探究產生超重與失重的原因。題目彈簧勁度系數測量設計內容：測量單根彈簧的勁度系數。設計要求：設計方案與裝置采用計算機實測技術測量單根彈簧的勁度系數。提示：實驗中應用不同力拉伸彈簧到不同的長度來確定，作出拉力 F與拉伸長度 L的F—L

曲線，直線的斜率就等于勁度系數K。曲線，直線的斜率就等于勁度系數K。拉力測量可使用力傳感器，彈簧拉伸長度測量可使用轉動傳感器。拓展研究：一般采用靜態法對彈簧的勁度系數進行測量，即某一拉力下測其對應的伸長量。若使用動態的方法， 拉伸量的變化速度對測量結果有何影響呢； 測量各類耦合彈簧系統的合成勁度系數。如測量串聯彈簧或并聯彈簧的勁度系數 K,并與單根彈簧的勁度系數 k相比較，口找K與k的關系。參考文獻：題目碰撞現象研究設計內容：碰撞有完全彈性碰撞、 完全非彈性碰撞和非完全彈性碰撞之分， 設計方案對小車各類碰撞現象進行研究。設計要求：1、測量小車碰撞過程中的動量與動能的情況，分析各類碰撞動量變化與動能變化的區別；2、對小車碰撞前速度與該速度下小車的碰撞受力大小的進行測量，試討論小車碰撞前的速度與碰撞時最大受力的關系；3、試討論哪些因素造成了實驗數據與理想數據間的誤差，并設計方案作定量測量。拓展研究：測試研究材料的緩沖性能。推薦研究范圍：首先提出材料緩沖性能的物理量表征， 然后設計方案與步驟對表征物理量進行測量。 同一材料，不同厚度，其緩沖性能的變化研究；同一材料，不同碰撞面積，其緩沖性能的變化研究；同一材料，不同碰撞速度，其緩沖性能的變化研究；相同條件下，不同材料緩沖性能的情況研究。參考文獻：NO.1，NO.1，199528（1），2008.1張瑞，石現領，張旺華，鐘菊花，測定材料的緩沖防震性能，物理實驗，題目摩擦力的研究設計內容：摩擦是怎樣引起的？兩個接觸面在滑動時其界面發生了什么情況？早期的科學文口記載過很多這方面的研究。十五世紀中葉的達?芬奇不僅得出兩條基本的摩擦定律，還得出了定量結果，即“任何摩擦物體的摩擦阻力都等于該物體重量的四分之一” ，即摩擦系數為四分之一。 “摩擦學”就是研究這一領域的專門科學，其定義是“研究作相對運動的相互作用表面及有關實踐的一門科學技術。 ”設計要求：1、設計方案研究摩擦力與材料表面的關系，與材料重量的關系，與接觸面的面積（或與材料的形狀）的關系*題目瞬時力的研究設計內容：設計實驗對各種瞬時力進行實測并觀察分析其變化過程。 例如對摩擦力、對碰撞過程中的受力、以及對材料繃斷前后拉力變化等瞬時力的觀察、實測與分析。設計要求：1、摩擦力有靜摩擦力與滑動摩擦力之分，測量摩擦力由零到最大靜摩擦力，然后開始滑動后的滑動摩擦力的變化過程； 設計實驗研究影響最大靜摩擦力與滑動摩擦力的因素， 如接觸面性質、正壓力等。實驗中應注意保持接觸面摩擦力的分布均勻。2、實測碰撞瞬間沖力的變化，分析各類材料碰撞沖力的變化。3、實測繩線等材料繃斷前后拉力變化，分析各類材料延伸力的變化。實驗中注意所用儀器設備的受力范圍，避免損壞設備。參考文獻：鄒方云，用力傳感器對摩擦力進行的實驗研究， 《教學儀器與實驗》，2007，23（1）設計內容重力加速度測量重力加速度的測量方法很多，如落球法、 單擺法，或在導軌上由功能原理、力學方程等等方法進行重力加速度的測量， 請大家充分發揮各自的想象力， 設計一種方法進行重力加速度的測量。也可以設計 2—3種方法，進行多種測量方法的比較。設計要求：查找資料得到本地重力加速度標準值；采用一種方法設計完整測量方案和具體測量步驟；記錄測量數據，處理后與標準值進行比較，計算相對誤差；若采用多種方法測量，則對各方法進行比較分析。題目物質密度的測量設計內容：我們使用過物理天平進行過不溶于水的固體密度的測量， 本實驗中請設計方案使用電子天平對固體 （不溶于水） 或液體的密度進行精確測量。 電子天平的精度與穩定性都優于物理天平，但電子天平的構造不同于物理天平， 它不是雙盤的機械結構天平， 沒有伸向外邊的力臂和載物臺， 只有單盤下的力傳感器， 不能象物理天平那樣直接測量到待測物體在純凈水中所受浮力的大小，所以需要改進一下傳統的流體靜力稱衡法來測量物體的密度。設計要求：1、參照電子天平說明書，熟悉電