大学磁悬浮动力学实验.docx

专 业：班 级：科目老师：日 期：1 / 8DHSY-1型磁悬浮动力学实验仪实验一动力学基础实验随着科技的发展，磁悬浮技术的应用成为技术进步的热点，例如磁悬浮列车永 磁悬浮技术作为一种低耗能的磁悬浮技术，也受到了广泛关注本实验使用的永磁悬 浮技术，是在磁悬导轨与滑块两组带状磁场的相互作斥力之下，使磁悬滑块浮起来， 从而减少了运动的阻力，来进行多种力学实验通过实验，学生可以接触到磁悬浮的 物理思想和技术，拓宽知识面，加深牛顿定律等动力学方面的感性知识本实验仪可构成不同倾斜角的斜面，通过滑块的运动可研究匀变速运动直线规律, 加速度测量的误差消除，物体所受外力与加速度的关系等一】实验目的1. 学习导轨的水平调整，熟悉磁悬导轨和智能速度加速度测试仪的调整和使用；2. 学习矢量分解；3. 学习作图法处理实验数据，掌握匀变速直线运动规律；4. 测量重力加速度g,并学习消减系统误差的方法；5. 探索牛顿第二定律，加深物体运动时所受外力与加速度的关系；6. 探索动摩擦力与速度的关系二】实验原理1. 瞬时速度的测量一个作直线运动的物体，在At时间内，物体经过的位移为△ s,则该物体在At 时间内的平均速度为为了精确地描述物体在某点的实际速度，应该把时间At取得越小越好，△t越小，所求得的平均速度越接近实际速度。

当AtTO时，平均速度趋近于一个极限，即v = lim = lim VAt TO A' At TO这就是物体在该点的瞬时速度但在实验时，直接用上式来测量某点的瞬时速度是极其困难的，因此，一般在一 定误差范围内，且适当修正时间间隔（见图5、6），可以用历时极短的At内的平均 速度近似地代替瞬时速度2. 匀变速直线运动如图1所示，沿光滑斜面下滑的物体，在忽略空气阻力的情况下，可视作匀变速直线运动匀变速直线运动的速度公式、位移公式、速度和位移的关系分别为:⑵⑶⑷v = v + att 01s = v t + at20 2v 2 = v 2 + 2as0如图2所示，在斜面上物体从同一位置P处（置第一光电门）静止开始下滑，测得 在不同位置P，P，P……处（置第二光电门），用智能速度加速度测试仪测量t，0 1 2 0t， t 和速度为v ， v， v 以t为横坐标，v为纵坐标作v 一 t图，如果图1 2 0 1 2线是一条直线，则证明该物体所作的是匀变速直线运动，其图线的斜率即为加速度a， 截距为v3 / 8验时，把磁悬浮导轨设置成水平状态，在滑块放到导轨中，用手轻推一下滑块，让其 以一定的初速度从左（在斜面状态时的高端）到右运动，依次通过光电门I和II,测 出加速度值a。

重复多次，用不同力度，推动一下滑块，测出其加速度值a，比较每次测量的结果，查看有何规律平均测量结果a，得到滑块的阻力加速度a块所受的力ma = mg sin 0 一 F则有：v 20 0图1 图2物体在磁悬浮导轨中运动时，摩擦力和磁场的不均匀性对小车可产生作用力，对 运动物体有些阻力作用，用F来表示，即F = ma , a作为加速度的修正值在实V2P2髭同样取s = P -P，作2一t图和v2-s图，若为直线，也证明物体所作的是匀变i i i-1 t速直线运动，两图线斜率分别为丄a和2a，截距分别为v和23.系统质量保持不变，改变系统所受外力，考察动摩擦力的大小，及其与外力F 的关系考虑到滑块在磁悬浮导轨中运动时，将其所受阻力用F来表示根据力学分析滑13mSiP器v.1決0(5)F = mg sin 0 一 ma(6)(7)(8)(9)(20XXXX)4 / 8a = g sin 0 一 a令F = ma，则有:af 1 〜af 2 〜纬3…二 af << g sin0由（7）（8） （9）式可得到：4.重力加速度的测定，及消减导轨中系统误差的方法式中a “作为与动摩擦力有关的加速度修正值。

用已知重力加速度g=9.80m/s2，及小车质量，通过测量不同轨道角度0时的滑块 加速度值a，可以求得相应的动摩擦力大小将F与F的值作图，可以考察F与F的关系a = g sin 0 一 a1 1 fi a = g sin 0 一 a2 2 f 2a = g sin 0 一 a3 o 3 f 3根据前面得到的动摩擦力F与F的关系可知，在一定的小角度范围内，滑块所受到动摩擦力F近似相等，且F << mg sin0，即a — a a — ag = 2 i = 3 2 ・・.sin 0 — sin 0 sin 0 — sin 02 13 25.系统质量保持不变，改变系统所受外力，考察加速度a和外力F的关系根据牛顿第二定理F二ma, a =丄F，斜面上F二Gsin0，故：ma = kF如图1所示，设置不同的角度0、0、0……的斜面，测出物体运动的加速度a，1 2 3 1a , a……作a-F拟合直线图，求出斜率k，k =丄，即可求得m = 12 3 m k【三】实验装置1磁悬浮原理1）、磁悬浮原理：磁悬浮实验装置如图3所示，磁悬浮导轨实际上是一个槽轨， 长约1.2米，在槽轨底部中心轴线嵌入钕铁硼NdFeB磁钢，在其上方的滑块底部也嵌入 磁钢，形成两组带状磁场。

由于磁场极性相反，上下之间产生斥力，滑块处于非平衡 状态为使滑块悬浮在导轨上运行,采用了槽轨■■计li山齢；5 / 8在导轨的基板上安装了带有角度刻度的标尺根据实验要求，可把导轨设置成不 同角度的斜面手柄2.光电门I6.标尺7.角度尺图3图4磁悬浮导轨截面图3.磁浮滑块 4.光电门II 5.导轨8.基板9计时器磁悬浮实验装置Axv =2 At2调整导轨和基板之间成一夹角，则实验仪成一斜面，斜面倾斜角即为0，其正弦 值sin 0为块规高度h和导轨（标尺）读数L的比值，磁浮滑块从斜面上端开始下落，2.仪器使用计时器按模式0功能进行操作（见附件）；每条导轨配有三个滑块，用来研究运动规律每个滑块上有二条挡光片，滑块在 槽轨中运动时，挡光片对光电门进行挡光，每挡光一次，光电转换电路便产生一个电 脉冲讯号，去控制计时门的开和关（即计时的开始和停止）导轨上有两个光电门，本光电测试仪测定并存贮了运动滑块上的二条挡光片通过 第一光电门的时间间隔A[和通过第二光电门的时间间隔At2，运动滑块从第一光电门 到第二光电门所经历的时间间隔t根据两挡光片之间的距离参数Ax，即可运算出滑 块上两挡光片通过第一光电门时的平均速度v =A£和通过第二光电门时的平均速度1 A[次挡光光电门位置P2 0 依次记录P， P，…的位置和速度v ， v0 1 0 1所有数据。

3.重力加速度g的测量两光电门之间距离固定为s改变斜面倾斜角0，滑块每次由同一位置滑下，依次则其重力在斜面方向分量为Gsin0光电门位置光电门At 6 / 8图6为使测得的平均速度更接近挡光片中心处通过时的瞬时速度，本仪器在时间处理 上已作图6处理，本实验测试仪中，从vi增加到v?所需时间已修正为 At = At'_丄At +1 At根据测得的At、At、At和键入的挡光片间隔Ax值，经智能2 12 2 1 2测试仪运算已显示，得v、v , a ；测试仪中显示的t , t , t对应上述的At、At、1 2 0 1 2 3 1 2【四】实验内容1检查磁悬浮导轨的水平度，检查测试仪的测试准备把磁浮导轨设置成水平状态水平度调整有二种方法：）把配置的水平仪放在磁 浮导轨槽中，调整导轨一端的支撑脚，使导轨水平2）把滑块放到导轨中，滑块以 一定的初速度从左到右运动，测出加速度值，然后反方向运动，再次测出加速度值， 若导轨水平，则左右运动减速情况相近，即测量的a相近检查导轨上的第一光电门和第二光电门有否与测试仪的光电门1和光电门2相 联，开启电源，检查测试仪中数字显示的参数值是否与光电门档光片的间距参数相符， 否则必须加以修正，修正方法请参见本实验附录，并检查“功能”是否置于“加速度”。

2.匀变速运动规律的研究调整导轨成如图2所示的斜面，倾斜角为0 （不小于2°为宜）将斜面上的滑块 每次从同一位置处P由静止开始下滑，光电门I位置于P，光电门II分别置于P，0 1处，用智能速度加速度仪测量△ t ，△ t，△ t 和速度为v ，v，v ；" 1 2 0 1 2v 及由P到P的时间t，列表记录2 0 i i标所受外力F = m g sin 9，根据式（9）作a - F拟合直线图，求出斜率k , k =—，即 m六、数据记录及处理1.匀变速直线运动的研究数据记录表如下（供参考）:可求得m =—比较m和m ，并求其百分误差 k 标经过两个光电门，记录其加速度a，由式（6）或（20XXXX）计算加速度g ,跟当地 重力加速度 相比较，并求其百分误差g标4.系统质量保持不变，改变系统所受外力，考察加速度a和外力F的关系称量滑块质量标准值m，利用上一内容的实验数据，计算不同倾斜角时，系统标iPis = P 一 Pi i 0At0V0AtiViti123456Ax =9 =分别作直线v-1图线和I-1图线，若所得均为直线，则表明滑块作匀变速直线运动, t由直线斜率与截距求出a与V，0将v与上列数据表中V比较，并加以分析和讨论。

0 一2.重力加速度g的测量数据记录表格如下（供参考）:i9iaisin 9igi1234Ax =as “2 - siEgm标s “2 - si2） 计算测得的重力加速度的平均值g，与本地区公认值g标相比较，求出5a 一 a1） 根据g =」 匚，分别算出每个倾斜角度下的重力加速度g ;i sin 0 ig 一 g" x 100% g标3. 系统质量保持不变，改变系统所受外力，考察加速度a和外力F的关系 利用上一内容的实验数据，数据记录表格如下（供参考）：Ax =i0isin 0iF = m g sin 0i 标 iai12345作a -F拟合直线图，求出斜率k， k =丄，求出m =—与m 相比较，求出 m k 标m 一 m标 x 100%七、注意事项1.称量磁浮滑块质量时，请用非铁材料放于滑块下方，防止磁铁与电子天平相互作 。