理论力学试验修订2007.11lsj

1《理论力学实验》讲义（草稿）武汉科技大学理学院陈桂娟主编二OO七年十一月2前言《理论力学》课程在高等工科院校机械类各专业的教学计划中，是一门重要的学科基础必修课。其主要任务是使学生掌握物体机械运动的一般规律。实验课是本课程的实践环节，其目的是通过这样一组实践教学环节的实施，加强《理论力学》的工程概念，了解这门课程与工程实际的紧密关系，培养和训练大学生的分析问题、解决问题的能力，培养和训练大学生的实践动手能力，培养、锻炼学生的创新思维和科研能力。大量与《理论力学》相关的产品和科研成果作为《理论力学实验》实践教学的内容，通过参观图片实物、实验演示以及学生自己观察、分析和动手实践达到实验的目的。《理论力学实验》作为《理论力学》新教学体系的重要组成部分，目的是通过这样一组实践教学环节的实施，开阔学生的眼界，加强《理论力学》的工程概念，了解这门课程与工程实际的紧密关系，培养、锻炼学生的创新思维和科研能力。大量与《理论力学》相关的产品和科研成果作为《理论力学实验》实践教学的内容，通过参观图片实物、实验演示以及学生自己观察、分析和动手实践达到实验的目的。实验的结果考核将采取填写实验报告、撰写小论文和交习作的形式进行。实验教学基本要求理论力学实验是在老师指导下由学生独立完成。理论力学实验课的基本程序可分为三个阶段：预习，实验操作和实验报告。1．实验前的预习每个实验都是一项具体的工作，从理解原理，掌握方法到熟悉仪器，测量数据，任务一般比较繁重。而实验课时间有限，因此实验前预习至关重要。预习应做到。（1）预习实验教材课前认真阅读实验教材，深入领会实验的原理和方法，明确实验内容和要求，并预习有关仪器使用说明。对需要设计的部分应事先设计好实验方案。预习时应根据实验要求在原始记录本上画好数据记录表格。（2）写好预习报告在认真预习的基础上完成预习报告，完成预习思考题，原始数据记录本上。2．实验操作实验操作是实验的主要内容，是培养科学实验能力的主要环节。实验正式开始之前，首先要进一步熟悉将要使用的仪器、量具等的性能以及正确的操作规程，切记盲目操作；其次要依据实验要求统筹安排实验操作程序，想一想怎样做更为合理，怎样做实验效率（工作效率）更高，不要急于动手。实验中，要有意识地培养认真严谨、细致耐心的实验习惯。实验操作有许多讲究，3要多琢磨，勤思考。要对观察到的现象和测量的数据随时判断其合理性，以便及时发现问题；同时不能单纯追求实验“顺利”，尤其是对正常操作下出现的所谓“反常”现象，更要仔细观察分析，切忌一做不好就报怨仪器不好甚至拼凑数据。需要明白能否及时发现实验装置的故障并对简单问题自行排除，是一个人实验能力强弱的重要表现，初学者应加强这方面能力的培养。3．撰写实验报告（课题报告）实验报告是在完成实验后所作的简明总结，也是实验成果的书面反映。实验报告应该思路清晰，数据齐全，图表完整，分析讨论合理结论科学。教学目的1、通过对实验现象的观察和判断，对实验结果的分析和总结，使学生加深对理论力学基本概念和规律的认识；2、通过参观图片实物、实验演示以及学生自己观察、分析和动手，培养、训练学生的创新思维，提高、锻炼他们建立力学模型的能力；3、通过大量工业产品和科技成果向学生展示《理论力学》的工程意义和工程应用，开阔学生的眼界；4、掌握动力学参数测定某些方法；5、具有熟练整理实验数据、分析误差、独立完成实验报告的能力；锻炼分析能力、实验方法设计能力和实验操作能力；6、培养学生辨证唯物主义世界观，严肃认真，实事求是的科学态度，严谨的工作作风和良好的实验习惯；7、初步形成良好的工作作风，基本的科学实验能力和创新意识。实验课程安排理论力学实验四人一组，实验课定时开放，每次实验一般安排3小时，每个学生要求完成4个实验。其中实验一和实验四为认识实验，实验结束后要求写出实验体会或对此实验提出自己的改进方法。实验二和三要求完成实验报告。实验注意事项1.记录实验数据，并让老师检查签字方可离开，把此签过字的实验数据附在实验报告上。（每个同学必须记录）2.实验报告中必须达到实验报告基本要求，具备基本的数据表格和曲线图，认真做好实验报告。3.实验报告应包括：实验名称、实验目的、实验装置、理论依据、实验数据及测试结果、实验讨论等。如意要认真回答每个实验后面的思考题。4.认真完成实验，注意实验安全事项。45.实验报告每人独立完成，至少在放假前15天将报告交上来。6.四次自做实验，缺少一次，实验成绩记为0分，本课程成绩为0分。7.实验前将每组名单交到老师处，组分确定后将不能调换。5实验一实验法求物体重量及重心（认识实验）在工程中遇到的有些物体，形状过于复杂，且各个部分是不同材料制成的，计算重心的位置是很复杂的工作，切精度也不容易保证。在工作中我们也常常遇到要知道物体的质量，可是身边的称的量程不小于物体的质量，这时候该怎么办？下面我们用实验法确定物体的重量和重心的位置。一、实验目的1、本实验是自主实验，学生自己独立完成；2、运用已学知识测定工程中实际零部件的质心与转动惯量；3、掌握称重法测物体重心（质心）的方法。二、实验设备ZME-1型多功能实验台，电子称，待测物体，积木，卷尺三、实验原理及步骤对于形状复杂的零件、体积庞大的物体以及由许多构件组成的机械，常用此法确定其重心的位置。例如，连杆本身具有两个相互垂直的纵向对称面，其重心必在这两个平面的交线，即连杆的中心线AB上，如图1-1所示。积木块图1-1其重心在x轴上的位置可用下法确定：先确定连杆的重量W，再根据平衡定理确定中心位置。由于磅秤的量程小于物体的重量W，无法直接称量，可采用如下方法称量：1．将其一端支于固定支点A，另一端支于磅秤上。注意使AB处于水平位置，读出磅秤上读数FNB，并量出两支点间的水平距离l，则列平衡方程为00CNBAxWlFM得NBcFlxW(1)62．再将连杆A端置于磅秤上，同理可得到NAcFlxW（2）将式子（1）与（2）相加即得到NBNAFFW3．由式（1）或（2）可确定物体中心位置。四、注意事项1、由实验原理可知，构件受支持力的两端距离l不变，故在实验中构件称量时要求其两端对齐；2、实验所测构件需水平放置，可以用水准尺检验。五、思考题1、分析本实验可能产生的误差，并简述如何减小误差。指出为了减小实验误差，我们可以从那些地方对本实验作进一步改进，可能下一届的实验就有您设计出来的东西。2、本实验的物体有两个对称面，有一个对称面的物体如何测量重心？3、您还有什么好的办法可以测量出不规则物体的重心位置？7实验二动滑动摩擦因子的测量摩擦问题是一个很复杂的问题．它所涉及的相关因数也很多。当然其中有些因数的影响因子很小，可以忽略。而如接触面的粗糙度、湿度等影响就比较大。动滑动摩擦因数，即动滑动摩擦力与正压力的比值，是表征两物体在单位正压力下相互间摩擦力大小的一个因数。摩擦的定律是法国科学家库仑于1781年建立的。它是一个近似定律，其简单的表示式子远远不能反映出摩擦的复杂性。由于其机理复杂且具有上述诸多相关因数，动滑动摩擦因数只能是一个实验值，确切地说理论上是无法计算的，只有通过实验的方法来获得一个近似的数值范围。不同材料(或同种材料)之间的动滑动摩擦因数，由于它在数值上与静摩擦因数存在一定的差异，因此不能随便地用简单的静止的方法来获取动滑动摩擦因数，而必须在其作相对运动时，用准确的测量方法以获得比较精确的实验结果。下面我们利用智能加速度测试仪来测试动滑动摩擦因数。一、实验目的1、本实验是自主实验，学生自己独立完成；2、掌握摩擦因子测定的试验原理；3、学会测量动、静滑动摩擦因子的方法。二、实验设备及其简介1、设备智能加速度测试仪，待测物体，量角器，可调节的斜面2、智能仪器简介根据摩擦因数求解原理，我们利用光电技术和单片机原理自行设计开发了一套动滑动摩擦因数智能测试系统，其结构示意图如图2-1所示。图2-1动滑动摩擦因数智能测试系统它由智能加速度测试仪C、角度可调的斜面滑板B和带有恒距离挡光片的滑块A组成。在斜面滑板B上安装有光电门电路装置1L、2L。三、实验原理1、动滑动摩擦因数计算公式的推导假设质量为m的物体沿斜面滑下，斜面的倾角为，如图2-2所示。8图2-2质量为m的物体从斜面滑下示意图又设物体经过第一门槛线1L的速度为1v，经过第二门槛线2L的速度为2v；以沿着斜面向下的方向为x轴方向，垂直于斜面向上的方向为y轴方向，其受力分析如图2-3所示。则有cosmgF;YN0（1）dNfFsinmgma;maX（2）图2-3物体的受力分析图将式(1)代入式(2)得计算动滑动摩擦因数的第一种表达式cosgatgfd（3）从这第一种表达式可见，只要能测试得到平均加速度a，就可以知道动滑动摩擦因数df。2、测量原理当滑块A从滑板B的上端自由滑下时，光电测试仪C会自动测定并存储运动滑块上的两条挡光片通过光电门1时的第一次挡光与第二次挡光的时间间隔1t和通过光9电门2时的第一次挡光与第二次挡光的时间间隔2t，以及运动滑块从第一光电门到第二光电门所经历的时间间隔3t(以各光电门第一次被挡光的时刻计)。根据两挡片之间的距离参数S即可通过智能测试仪计算出滑块上两挡片通过第一个光电门时的平均速度11t/Sv和通过第二个光电门时的平均速度22t/Sv。由于1t和2t均很小，我们可以近似地认为在该段时间内物体作匀加速运动，把1t时间内的平均速度1t/S近似为21/t时刻的瞬时速度1v；把2t时间内的平均速度2t/S近似为22/t时刻的瞬时速度2v。而且从1v增加到2v所需时间修正为)22(2134/t/ttt，因为根据加速度定义，在4t时间内的平均加速度为412tvva（4）根据测得的1t，2t，4t和预先输入的挡光片间隔S的值(S=50mm)，经智能测试仪记录、运算并显示之，可自动得到1v，2v和a等参数。为了计算方便，我们可以从式(3)导得另两种动滑动摩擦因数的表达式costgvvtgfd412（5）costttgttStgfd21421)(（6）以上式(3)、式(5)、式(6)均可用来计算动滑动摩擦因数。不同的参数，用不同的计算公式进行计算。10四、测试方法与步骤1、测试准备将待测试的两种面料分别固定于滑块A和滑板B上，并使其平整且不要拉得太紧；调节斜面的倾角，并使其保持一定的倾角以便保证滑块能以适当的加速度下滑；接通系统电源根据说明书设置测试仪使其处于待测状态。2、测试步骤（1）打开职能加速仪的电源开关，等待数字显示值稳定（5.0）；（2）将试验选择设置为直线；（3）按下“工作”键，开始正式试验，让滑块从适当倾斜的斜面上滑下，职能加速仪即记下试验次数，纪录下滑块a和b边经过光电门I的时间，按“显示选择”键显示1t，显示的数值即为滑块a和b边经过光电门I的时间1t；再按“显示选择”键显示2t，显示的数值为滑块a和b边经过光电门II的时间2t；再按“显示选择”键显示't，显示的数值为从1L到2L所需要的时间3t；依次纪录t、)(11v、)(22v、)(、)(。（4）再按“工作”键，可进行第二次试验，总共可进行10次，10次结束后若要继续试验，可按取消以前的数据，然后继续试验。（5）重新换材料，按照以上四步测量，纪录试验数据3、测试并记录数据测试时，让滑块A沿斜面导轨B自由地下滑至左侧底部。智能测试仪将自动记录过程参数并可显示出1t、2t、3t、4t、1v、2v和a等参数。表1几种材料料间的动滑动摩擦因数测量数据记录及处理表11材料A材料B1t)(s2t)(s't)(st)(s)(11v)(m/s)(22v)(m/s)(1a)(m/2s)(1S)(mmdf1A1B2B2A1B2B3A1B2B五、思考题1、分析本实验可能产生的误差，并简述如何减小误差。2、本实验对有什么样的要求？3讨论动滑动摩擦因数小的材料，其动滑动摩擦因数与静摩擦因数十分接