磁悬浮动力学实验

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1、DHSY-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， 拓宽知识而，加深牛顿左律等动力学方而的感性知识。本实验仪可构成不同倾斜角的斜而，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

2、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，在时间，物体经过的位移为$,则该物体在时间的 平均速度为sv =/为了精确地描述物体在某点的实际速度，应该把时间取得越小越好，At越小，所求得的平均速度越接近实际速度。当1-0时，平均速度趋近于一个极 限，即Ayv = lim=limlTA/-0A/t（）这就是物体在该点的瞬时速度。但在实验时，

3、直接用上式来测量某点的瞬时速度是极其困难的，因此，一般在一立误 差羽，且适当修正时间间隔（见图5、6）,可以用历时极短的的平均速度近似地代替瞬 页脚时速度。2. 匀变速直线运动如图1所示，沿光滑斜而下滑的物体，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別为：片=% +cit(2)s = VqZ + cit(3)2昭=vj + 2as(4)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 同位置片,P2处(置第二光电门),用智能速度加速度测试仪测量心, 和速度为v0, V, v20以/为横坐标，v为纵坐标作y

4、 7图，如果图线是一条直线, 则证明该物体所作的是匀变速直线运动，英图线的斜率即为加速度，截距为心。同样取乩,作图和/-s图，若为直线，也证明物体所作的是匀变速 直线运动，两图线斜率分别为和2d，截距分别为和诟。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Ff来表示，即巧.=maf.af作为加速度的修正值。在实验时，把磁 悬浮导轨设宜成水平状态，在滑块放到导轨中，用手轻推一下滑块，让其以一怎的初速度 从左(在斜面状态时的髙端)到右运动，依次通过光电门I和II，测岀加速度值勺。重 复多次，用不同力度，推动一下滑块，测出其加速度值幻.，比较每次

5、测量的结果，查看 有何规律。平均测量结果，得到滑块的阻力加速度石。3. 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，将其所受阻力用耳来表示。根据力学分析滑块 所受的力nui =ig sinO-Ff则有：Ff = mg sin 0一ma(5)用已知重力加速度g=9.80nVs2,及小车质量，通过测量不同轨道角度&时的滑块加速 度值，可以求得相应的动摩擦力大小。将耳与F的值作图，可以考察耳与F的关系。4. 重力加速度的测定，及消减导轨中系统误差的方法令Ff = ma f ,则有:u = g sin 0 一 aj(6)式中(仃作为与动

6、摩擦力有关的加速度修正值。=gsinq(7)勺=g sin e2 -af2(8)“3 = gsin&3-勺3(9)根据前而得到的动摩擦力耳与F的关系可知，在一圧的小角度用，滑块所受到动摩 擦力耳近似相等，且Ff mg sin 0 ,即a八 ucif2 2(仃3=。/ gsin&由(7) (8) (9)式可得到：(10)a2 -!_a2sin - sin q sin 如- sin 015. 系统质量保持不变，改变系统所受外力，考察加速度和外力F的关系根据牛顿第二定理F = ma幺=丄八斜而F = Gsin&,故:1Ha = kF如图1所示，设置不同的角度如、%的斜面，测出物体运动的加速度,“作-

7、F拟合直线图，求出斜率&，夕即可求得【三】实验装苣1. 磁悬浮原理1）、磁悬浮原理：磁悬浮实验装豊如图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钺铁硼NdFcB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。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，可把导轨设巻成不同角 度的斜而。1. 手柄2.光电门I 3.磁浮滑块4.光电门II 5.导轨 6标尺7角度尺 &基板9计时器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

8、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，本光电测试仪测宦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和通过第二光电门的时间间隔运动滑块从第一光电门到第二 光电门所经历的时间间隔/。根据两挡光片之间的距离参数Ar,即可运算岀滑块上两挡光 片通过第一光电门时的平均速度v,=和通过第二光电门时的平均速度v,= o调整导轨和基板之间成一夹角，则实验仪成一斜而，斜而倾斜角即为其正弦值 sine为块规髙度h和导轨（标尺）读数L的比值，磁浮滑块

9、从斜而上端开始下落，则其 重力在斜而方向分量为Gsin 0 光电门位ft光电门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V!增加到勺所需时间已修正为M = A/ -根据测得的X、&2、At和键入的挡光片间隔心值，经智能测试仪运算已显示，得勺、v2, 5；测试仪中显示的/, t2, 4对应上述的&1、豪2、At。【四】实验容1. 检査磁悬浮导轨的水平度，检査测试仪的测试准备耙磁浮导轨设垃成水平状态。水平度调整有二种方法：1）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，滑块以一宦的 初速度从

10、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”是否苣于“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& （不小于2为宜）。将斜而上的滑块每 次从同一位置处P由静止开始下滑，光电门【位置于人，光电门II分别置于p2 处,用智能速度加速度仪测量G，“，A/2和速度为v0, V, v2；依次记 录仇，A

11、，的位置和速度VO, V, v2及由仇到R的时间心，列表记录所有数据。3. 重力加速度g的测量两光电门之间距离固左为s改变斜而倾斜角&，滑块每次由同一位置滑下，依次经 过两个光电门，记录英加速度，由式（6）或（10）计算加速度g,跟当地重力加速度匕标 相比较，并求其百分误差。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的关系称虽:滑块质虽标准值加标，利用上一容的实验数据，计算不同倾斜角时，系统所受外 力F = mg sin 0，根据式（9）作a-F拟合直线图，求出斜率k, k=,即可求得 加=丄。比较加和加标，并求其百分误差。K六、数据记录及处理1.匀变速直线运动的研究数据记

12、录表如下（供参考）：化= Ax = 0 =IPisi = R _ Pq%叫fi123456分别作直线一图线和知图线，若所得均为直线，则表明滑块作匀变速直线运动，由直线斜率与截距求出a与,将与上列数拯表中比较，并加以分析和讨论。2.重力加速度g的测量数据记录表格如下（供参考）：Ax= s = s2 -5j= af=10sin 0iSiI23451）根据=分别算出每个倾斜角度下的重力加速度sin 02）计算测得的重力加速度的平均值g,与本地区公认值g柿相比较，求出2_加标xlOO%3.系统质量保持不变，改变系统所受外力，考察加速度和外力F的关系利用上一容的实验数据，数拯记录表格如下（供参考）:Av = S = S2 -5| = 加标=10sin 0:耳=%g sing612345作u_F拟合直线图，求出斜率k =丄，求出m = - o与抵相比较，求岀 mk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用, 影响称量准确性。2.实验做完后，磁浮滑块不可长时间放在导轨中，防止滑轮被磁化。