2017CUPT试验总结报告

. 2017CUPT2017CUPT 实验总结报实验总结报 I I 题题目目真空火箭炮真空火箭炮 姓姓名名 学学号号 指导教师指导教师 实验地点实验地点 实验时间实验时间17.04.01-2017.06.2517.04.01-2017.06.25 一、一、问题综述问题综述 Word 资料 . Vacuum bazookaVacuum bazooka A ‘vacuum bazooka’ can be built with a simple plastic pipe, a light projectile, and a vacuum cleaner. Build such a device and maximise the muzzle velocity. 用一个塑料管， 一个物体和一个真空吸尘器来制作一个真空火 箭炮，并且最大化出口速度。 关键词塑料管、真空吸尘器、最大化、出口速度 二、实验原理及初步试验二、实验原理及初步试验 该实验实质上是利用了大气压强差来对管内物体加速，当管内 气体被抽出后，管内气压小于外界气压， 密封端被打开后物体便会在 压强差的作用下加速前进。如图一所示 试验中的测速我们采用物体长度除以经过光电门时间的方法来 进行速度的计算。光电门由 32 单片机制作，精度为微秒级别。 Word 资料 . 二、二、 理论分析理论分析 模型一模型一 认为物体与管道完美契合，不考虑能量损耗。假设在水 平放置的装置中抛射物质量为 m，横截面积为 A,空气密度为 。抛射物初始位置为 X0.且靠近小球一段的封口处内外压 强差一直为，运动时抛射物和其后方的空气柱一起加速。。 由动量定理可得 对该方程进行求解可得出口速度表达式 由理想表达式可以看出物体质量、横截面积、管长、初始压强差 均对出口速度均有影响。可对这些因素的影响进行单一变量实验分 析。 三、三、 实验实验 数据分析数据分析 实验一实验一 物体质量与速度的关系物体质量与速度的关系 Word 资料 . 该部分实验在其它条件不变的情况下，通过改变物体质量来探 究物体质量与出口速度的关系。 炮弹长炮弹长88.20mm88.20mm管管 长长 183mm183mm 20.9 2.4 2.4 2.4 2.40 33.35 2.9 3.0 3.2 3.03 28.92 49.95 3.5 3.5 3.5 3.50 25.2 cmcm面积面积15411541 mm2mm2 重量重量/g/g 时间时间/ms/ms 时间时间/ms/ms 时间时间/ms/ms 平均平均 66.55 3.6 3.7 3.7 3.67 24.03 83.15 3.7 3.7 3.7 3.70 23.83 103.9 3.7 3.7 3.8 3.73 23.65速度速度 m/sm/s36.75 得出结论相同情况下，物体质量越小，出口速度越大 实验二物体面积与速度的关系实验二物体面积与速度的关系 该部分实验是在其它情况不变的情况才，通过改变物体受力面积 来探究物体面积与出口速度的关系。 炮炮弹弹长长度度炮炮弹弹质质量量炮炮管管长长度度 Word 资料 . 81.78mm81.78mm 直直径径 mmmm 时时间间 msms 时时间间 msms 时时间间 msms 平平均均 时间时间 速速度度 m/sm/s 30.86g30.86g3700mm3700mm 38.4840.7642.75 4.31 3.85 4.49 4.22 19.39 26.1829.1132.3135.7 13.8710.948.287.415.485.02 11.4611.758.427.515.505.18 14.9911.228.387.405.555.28 13.4411.308.367.445.515.16 6.087.239.7910.9914.8415.85 得出结论相同情况下物体速度随受力面积增大而增大 实验三炮管长度与速度的关系实验三炮管长度与速度的关系 该实验是在其它情况不变的条件下，通过改变炮管长度来探究炮 管长度与出口速度的关系。 长度长度 m m 速度速度 m/sm/s 1 11.41.41.81.82.22.22.62.60.60.6 11.3022.1225.5426.8530.4632.9934.79 0.20.2 Word 资料 . 长度长度 m m 速度速度 m/sm/s 45.886.57.88911.6 34.4150.0070.0074.0076.0070.0076.07 3 得出结论相同情况下，物体速度随管长增加而增加。 通过以上控制变量实验，可以定性的得出各主要变量对出口速度 的影响。但实际出口速度大小与理论速度差距较大， 究其原因可以得 出理论模型中忽视了各种能量损耗，模型很不完美，不够贴合实际， 现对模型一进行改进。 四、四、 理论改进理论改进 模型二模型二 由于物体运动过程中吸尘器处于工作状态，物体前方的气体会以 一定的速度被吸出。物体是否受到阻力取决于其与空气的相对速度。。 物体在空气中运动的阻力公式为 Word 资料 . （3） 验中测得直径 25.5mm 物体所受吸力为 1.8N，由公式（ 3）可得气 体流动速度约为 76m/s。实验测得炮弹与管内壁动摩擦因数为 0.2 位移一定距离过程中物体速度将出现一个峰值。 实验时测量物体运动过程中管内压强变化如图所示 由实验数据通过拟合可以得到压强变化公式为 其中 35.91 由牛顿第二定律和绝热方程可建立如下方程式 其中 Word 资料 . 求解可得 通过 MATLAB 函数求数值解得下图所示 上图可得位移 .时速度得到最大值为./ . 现对该理论推导进行实验验证。 五、五、 实验验证实验验证 实验四探究物体运动时位移和速度的关系实验四探究物体运动时位移和速度的关系 该实验是在一定的管长，受力面积，炮弹类型情况下，通过测量 物体在不同位移处的速度来探究物体位移与速度的关系。 Word 资料 . 位移位移 m m 时间时间 s s 速度速度 m/sm/s 位移位移 m m 时间时间 s s 速度速度 m/sm/s 位移位移 m m 时间时间 s s 速度速度 m/sm/s 位移位移 m m 时间时间 s s 速度速度 m/sm/s 0.040.04 10.59 7.45 0.94 2.76 28.61 2.64 1.15 68.71 3.84 0.96 76.02 0.240.24 5.9 13.37 1.14 2.33 33.84 3.04 1.46 54.19 4.04 1 79.03 0.440.44 3.82 20.65 0.640.64 3.71 21.27 1.84 2.17 36.33 3.64 0.99 78.26 4.64 0.96 76.02 1.34 2.07 38.06 3.44 1 78.76 4.44 0.95 75.05 可以看到在附近得到了速度的最大值，约为 79.03/ 由于存在 各种不可控因素影响，可认为验证理论。 由实验可以看出在一定的初始压强差情况下，物体在运动过程中都 会有一个确