气垫导轨是一种多用途的力学实验仪器.它通过导轨表面均匀分布的小孔喷出气流,在导轨表面和滑块之间形成一层很薄的“气膜”将滑块浮起,造成滑块在导轨上近似无摩擦运动的条件.气垫导轨虽然解决了摩擦问题,但实验精度仍受时间测量误差的影响.为此,一般采用计时精度较高的光电控制电子毫秒计时或火花计时装置,这样在气垫导轨上进行各种力学实验,其相对误差一般不大于5%.
下图是一种使用性能较好的QG150~79型气垫导轨的外形结构图.其导轨采用三角形空心截面异形铝材,全长为1580mm,两个轨面互成直角,轨面上均匀分布直径0.6mm小孔,轨道两端加上端盖后形成气室,一端装有进气管,另一端设置气垫滑轨.气垫滑轨的转动轮和轴间有一层气膜(轴上有气孔),使转动时摩擦力大大减少.轨道一侧面贴有刻度尺;另一侧面可粘贴电火花记录纸.
仪器的底座由冷拉矩形钢管制成,同时起到加强导轨刚度的作用.在上表面均匀分布两排调节螺丝,调节螺丝和上部导轨连接.在底部装有三只成三角形分布的支脚螺丝,其中一只单支脚螺丝装有旋钮,用来调节气垫导轨的水平.
滑块是运动体,上有螺孔,用来固定各种附件.顶部有遮光板和遮光片固定座.两端装有碰撞弹簧以及用来固定谐振弹簧的拉耳.配重块可通过载重杆固定在滑块两侧.
发射架座用螺钉固定于轨面两端,其上有橡筋发射架,还有用来架设火花合金丝的绝缘板和绝缘板架.
光电控制电子毫秒计时,是由用薄钢片弯成的跨架结构的光电门,利用光敏二极管受光照时和不受光照时的电位变化产生脉冲信号来控制毫秒计工作.
气垫导轨在中学物理教学中主要可作下列实验:
①测定滑块运动速度;
②验证牛顿第一、二、三定律;
③研究碰撞过程中的动量守恒情况,验证动量守恒定律;
④验证机械能守恒定律;
⑤简谐振动,阻尼振动等.
导轨在实验前,可按下述方法进行调节:
(1)调整水平
①安置两光电门之间的距离在800 ~ 1000mm,在滑块上装上实验所需遮光片,选用相应的毫秒档或档.
②打开气源给导轨供气,使滑块运动,分别记下通过两光电门的时间和.如果,不等,则可反复调节单支脚上旋钮,直至和的相对误差<2%,即可认为导轨已调水平.
(2)确定斜度
此导轨随机附有七块不同高度的斜度垫块,可根据实验要求算出斜度K,由K=h/L选择不同高度h的垫块,式中L为导轨单支脚和双支脚之间的距离.
导轨为了得到稳定而具有足够厚的气垫层,要求气源具有足够大的流量.目前国内尚无专用气源.一般用小于2大气压的压缩空气作气源,做学生实验时,可用一台空气压缩机当作共用气源.也可用吸尘器(>0.2千克/)或风压较高的鼓风机(风量大于0.25/分).
仪器在使用和保养过程中应注意的事项:
①为了保持导轨表面良好平直度,在搬运和存放时切勿加压震动,尤其不要碰撞导轨表面.
②滑块内表面和导轨配合紧密(一般不能互换),应防止滑块内表面划伤、碰撞;导轨不通气时不允许将滑块在导轨上来回滑动;调节遮光片在滑块上的位置时,要把滑块从导轨上取下,调好后再放回导轨.
使用前,应用酒精棉花将轨面及滑块表面擦净,因为它们之间的气层只是几十微米的数量级,所以不平整、不洁净将无法实验.
③导轨的气孔孔径一般在0.4 ~ 0.6mm,只有滑块覆盖的那些气孔中喷出的气体起着漂浮滑块的作用,所以气孔必须大小相等,全部畅通,如果有堵塞,滑块滑过该处,将会使滑块变速甚至停止,为防止气孔堵塞,可用直径小于0.4mm的铜丝仔细通一下.
④滑块运动时阻力(主要是气体间粘滞力)和滑块速度成正比,但滑行速度过小,则各种外界因素,如流量不稳、压力不匀等会影响实验效果,所以速度以大于0.5m/s为宜.