空氣軌和火花打點器介紹及使用注意事項 Opeartion of Air Track & Sparker 國立清華大學 物理系 普通物理實驗室 戴明鳳 常用儀器四 空氣軌和火花打點器介紹及使用注意事項 Opeartion of Air Track & Sparker 上學期三個一維力學實驗中主要使用的儀器 牛頓第二運動定律 碰撞運動 簡諧運動

一、空氣車軌系統(簡稱空氣軌) 結構示意圖及各部結構說明 緩衝彈簧(bumper spring) 空氣滑輪(air pulley) 滑車 (glider) 絕緣螺釘&螺釘帽(screw & nut) 傳導線 (transfer wire) 絕緣片 (insulating strip) 滑車啟動板(glider launcher) 空氣軌道(track) 停止終端(end stop) 11.支撐螺絲(supporting screw)  T型空氣入口(air tee) 12.支撐樑架(supporting beam) 15.縱向水平螺絲(longitudinal leveling screw) 14.橫向水平螺絲 (transversal level screw) 13.橫向水平臂(transversal arm) 結構示意圖及各部結構說明

空氣軌系統各部結構說明  T型空氣入口(air tee) 停止終端(end stop) 絕緣片(insulator strip) 滑車啟動板(glider launcher) 滑車(glider) 絕緣螺釘和螺釘帽(screw & nut) 緩衝彈簧(bumper spring) 傳導線(transfer wire) 空氣軌道(track) 空氣滑輪(air pulley) 停止終端(end stop) 11.支撐螺絲(supporting screw) 12.支撐樑架(supporting beam) 13.橫向水平臂(transversal arm) 14.橫向水平螺絲(transversal level screw) 15.縱向水平螺絲(longitudinal leveling screw)

空氣軌工作原理 電動吹風機所產生的空氣風經排風管持續地輸入空 氣軌內。空氣軌上方，兩斜面各有兩排針孔，空氣經 由這些針孔噴出。 滑車置於空氣軌上，可在滑車下形成一層厚度僅~0.1 mm 的空氣層，使滑車漂浮在空氣軌上。 使滑車和空氣軌之間幾乎沒有摩擦力。 3. 但若滑車太重或空氣流量不足，會造成滑車和車軌表 面間空氣層分佈不均勻。 易使空氣軌和滑車底部光滑的表面磨損 致使滑車與空氣軌間的接觸面產生摩擦力 進而影響實驗測量的精確度和結果。

二、空氣軌的水平調整 需先確保空氣軌面上所有針孔暢通無阻。 然後，調整空氣軌(12)支撐樑架下方右側的(15)縱向水 平螺絲，使空氣軌的軌道方向先獲得初步的水平。 而後，再調整樑架下方左側的兩個(14)橫向水平螺 絲，使垂直於車軌的(13)橫向水平臂也達水平。 縱向、橫向需前後來回調整多次，才能獲得較好的水 平效果。 準確的水平很不容易調整，故需要極佳的耐性！

三、空氣軌使用注意事項 實驗前或滑車放置之前，應先仔細檢查空氣軌的送風口和軌道 上的每一針孔的排氣是否暢通？ 若有針孔堵塞，應以適當方法排除堵塞的原因。 檢查每一針孔的排氣量是否足夠？是否均勻？ 若排氣量不足的話，滑車浮不起來； 若不均勻的話，滑車滑動時，會產生左右晃動的現象。 使實驗數據的精確度下降。 滑車和其承載物的總質重不可太重。 加重物時，應使物體的質心盡量與滑車的質心落在同一鉛垂線 上。 大滑車附加質量不可超過100 克；小滑車則不建議附加重物， 以免重心不易調整到同一鉛垂線上，導致滑行時重心不穩。

三、空氣軌使用注意事項(續) 未開送風機之前，請不要將滑車放在空氣軌上，以免 滑車和空氣軌相互接觸面易摩擦，而產生磨損。 關吹風機電源前，也切記應先將滑車移離空氣軌。同 上述原因。 實驗前，必需仔細調整空氣軌的水平位準，使其沿著 軌道的縱向及垂直於軌道的橫向均能以最佳的水平狀 態，座落於實驗桌上。 軌道縱向未達水平：會因滑車自身的重力，在縱向產 生一類似沿斜面下滑的分量，導致實驗結果產生嚴重 的誤差。(見之後的分析) 垂直於軌道的橫向未達水平：則滑車滑行時，易產生 往一邊偏的不穩定狀況。

四、空氣軌縱向不水平所造成的誤差估算 考慮空氣軌總長度為1 m (實驗用的軌道長度達160 cm)， 假設一端比另一端低1 mm。 當軌道傾斜，滑車因自己的重力，在沿斜坡方向得到一下 滑力，因此獲得一往低端滑行的加速度 3. 若滑車質量 ＝ 300 g，系統所受外力為10 g砝碼之重力，則滑車所獲之加速度的理論值應為： 因空氣軌不水平所造成的加速度誤差約為 3.1%.

若滑車初速 vi = 20 cm/sec，滑軌水平和僅差1 mm的傾斜下， 末速度分別為 vf 與vf ‘，則會有高達15%的差值。 滑軌因不水平所造成的誤差為

五、空氣軌精確水平的調整方法 可利用火花打點器進行調整。若滑車以20 cm/sec的速率滑行， 如果軌道前後有1 mm的傾斜，則滑車經過1m的距離後，其末 速度為： 若火花打點的頻率為10 Hz，即t = 0.1 sec，則紙帶上的記錄在頭端二點的間隔應為2.0 cm，而末端為2.4 cm，此差異很容易觀測得。 根據結果，調整滑車兩端高度差，應可調至高度差低於0.2 mm。 2. 為避免浪費紙帶，應先以肉眼觀察。通常用手輕推滑車，使在 空氣軌兩端來回滑行。若來回四、五次以上，滑車速率沒有明 顯減慢，即表示此時空氣軌應已相當水平了。 3. 然後，才以火花打點方式，觀察等時間距的差異，作更精確的 水平調整。

絕緣螺釘&螺釘帽(screw & nut) 六、火花計時器的火花打點電路連接 將火花計時器的高電壓端接到空氣軌的傳導線上。 “傳導線”是一條連接固定於車軌兩端之塑膠絕緣片的金屬 線。 2. 另將“火花打點線”固定於滑車上的絕緣塑膠釘上，作為傳 導線和車軌間的橋樑。 電路連接順序:高電壓端→傳送線→火花線→紙帶→車軌→地線 端 4. 火花打點頻率通常設定10 Hz。  傳導線 滑車(glider) 火花打點線spark line 絕緣螺釘&螺釘帽(screw & nut) 火花記錄紙條

火花電路連接 A. 紀錄單一滑車運動時： 高電壓端→傳送線→火花線→紙帶→車軌→地線端。 接地端 滑車 傳導線 火花線 火花留下的黑點 打電記錄紙帶

B. 同時記錄兩滑車的運動情形，如碰撞實驗，則需要有兩 條傳導線，其電路連接順序依次為： 高電壓端 → 傳導線＃1 → 火花線＃1 → 紙帶＃l → 車軌 → 紙帶＃2 → 火花線＃2 → 傳導線＃2 → 地線端。 滑車一 滑車二 車軌 傳導線一 傳導線一 火花線二 打點記錄紙帶 火花線＃2

C. 火花電路連接時的注意事項 雖然 “地線端”與“高壓端” 互換接線，仍可火花打點。 但為了避免人體及其他器材被高壓電擊的危險，最好還 是將地線端與車軌相連接，提供較佳的接地(Grounding) 效果。 火花線不可以和傳導線接觸太緊，以免滑車運動時產生 太大的摩擦阻力，影響滑車的運動狀態，而造成嚴重的 實驗誤差。 當計時器的高壓端接到傳送線時，且啟動計時器的電源， 則整個系統均不可以觸摸，以免觸電危險。 在碰撞實驗中，需同時紀錄雙滑車的運動情形，兩滑車 的位置紀錄紙帶＃1及＃2可紀錄在同一條火花打點紙帶 上的左、右兩段不同的位置。

七、其他交互作用的引入 滑車與車軌之間或兩滑車之間的交互作用，一般教學實驗常使用磁鐵，彈簧 或重力所產生的力量作為作用力的來源。實驗中使用此三種作用力的方法和 注意事項分別簡單說明如下： 磁力：使用磁鐵產生的磁力。 彈性碰撞實驗：常將磁鐵分別黏於兩滑車之間面對面互相對應的部位上， 當滑車彼此靠近時，兩磁鐵產生同性相吸或異性相斥的作用力。 阻尼振盪實驗：常使用磁鐵所產生的磁力，作為阻尼作用力的來源。此時 只需將磁鐵黏於滑車兩側浮貼車軌斜面部份的上面，即可因磁鐵對滑車和車 軌所產生的磁力作用，造成水平運動滑車的前進阻力。 注意事項：磁鐵易碎，務必將磁鐵黏牢。 控制滑車的速度，使兩滑車間相對速度保持在30 cm/sec以下。以免滑車速 度過快，磁鐵因猛烈撞擊而破碎。 若磁鐵黏於滑車較低之部位(即浮貼於車軌斜面部份的上面)，則移動中的磁 場會在車軌面產生渦電流(eddy current)。而渦電流所生的磁場會與移動中 的磁鐵作用，使滑車受到一個與速度成正比的阻力。

七、其他交互作用的引入 重力(Weight force)：利用其他物體的質量垂直繫掛時所產 生的重力，做為滑車改變運動所需的拉力。 需可以使用不具彈性且質量可忽略的錄音帶或繩線的牽引線 拉動滑車較方便。 使牽引線的一端繫於滑車上，然後使牽引線盡量水平地跨過 固定於空氣軌一端的滑輪，使牽引線經滑輪垂掉於空氣軌側 邊。 選用與牽引線間摩擦力很小的滑輪，以使牽引線能幾無摩擦 地移動，以減少因兩者間的摩擦力所造成的實驗誤差。 若無適當繩線，可以使用舊式錄音機用的錄音磁帶代替之。 彈力(Spring Elastic Force)：簡諧振盪實驗中，使用彈簧所 產生的彈力。 須注意勿使彈簧過份伸張或擠壓。 不使用彈簧時，切勿使不同的彈簧彼此交錯在一起。