挡光片
S t
生两个脉冲信号，计时器测出这两个脉冲信号之间的时间间隔 t 。它的作用与 停表相似：第一次挡光相当于开启停表（开始计时） ，第二次挡光相当于关闭停 表(停止计时)。但这种计时方式比手动停表所产生的系统误差要小得多，光电计 时器显示的精度也比停表高得多。如果预先确定了挡光片的宽度，即挡光片两翼 的间距 S ，则可求得滑块经过光电门的速度 v S / t 。本实验中 S 1.00cm 。 光电计时器是以单片机为核心，配有相应的控制程序，具有计时 1、计时 2、 碰撞、加速度、计数等多种功能。 “功能键”兼具“功能选择”和“复位”两种功能： 当光电门没遮过光，按此键选择新的功能；当光电门遮过光，按此键则清除当前 的数据(复位)。转换键则可以在计时 1 和计时 2 之间交替翻查 24 个时间记录。
数据记录
表一 验证质量不变，外力和加速度成正比（M=130g） m2= F2= m2= F3= 自由落体质量（g） m2= 外力（F） 加速度 a （ cm s 2 ） 表二 总质量（g） 加速度 a （ cm s 2 ） 验证作用力一定时，质量和加速度成反比（F=0.05N） F1=
M=
M =
v1的相对差异小于1%，否则应继续调节导轨底脚螺丝，直至达到要求。
（二）验证牛顿第二定律 1．物体系的总质量M一定，验证外力与加速度成正比 ⑴ 在导轨上固定两个光电门，将线一端系在滑块上，另一端通过气垫滑轮 与砝码盘相连。在滑块上放置两个砝码，砝码盘上放一个砝码，砝码盘自身质量 为5g。滑块置于远离气垫滑轮的导轨另一端，由静止释放，在砝码盘及一个砝码 所受重力作用下，滑块作匀加速直线运动，由计数器测量出加速度a1。重复测量 三次（注意：滑块释放的初始位置必须一致，靠近气垫滑轮的光电门安放位置要 合适，防止滑块尚未通过此光电门而砝码盘已落到地面上）。 ⑵ 将一个砝码从滑块上取下，放入砝码盘中，重复上述实验步骤，测出滑 块加速度a2。 ⑶ 再将滑块上的另一个砝码取下， 也放入砝码盘中 （盘中砝码总数为3个） ， 仍然重复上述实验步骤，测出滑块加速度a3。 ⑷ 记录m1，m2和M的值，计算出作用力F1、F2和F3（m2指砝码盘及盘中砝码 的质量之和，M为滑块、砝码盘及盘中砝码的质量之和）。 将上述实验数据记录在表一中。 2．物体系所受外力F一定，验证物体系的质量与加速度成反比 ⑴ 在砝码盘中放入一个砝码，测出在此作用力下，质量为m1的滑块运动的 加速度a。 ⑵ 保持砝码盘中的砝码不变（外力一定），将一质量为m1′的砝码放在质 量为m1的滑块上，测出在此作用力下，滑块组运动的加速度a′。 ⑶ 以上测量重复进行三次。记录m2的值并求出物体系的总质量M和M′。 将上述实验数据记录在表二中。
底脚螺丝 导轨 气孔 弹簧片 进气嘴 弹簧片 挡光板 滑块
当滑块从光电门旁经过时，安装在其上方的挡 光片穿过光电门，从光电门发射器发出的红外 光被挡光片遮住而无法照到接收器上，此时接 受器产生一个脉冲信号。在滑块经过光电门的 整个过程中，挡光片两次遮光，则接受器共产 图2
接受器 挡 光 片 发射器
v L t
（1）
由于ΔL 比较小（1cm 左右） ，在ΔL 范围内滑块的速度变化很小，所以可把 v 看 做滑块经过光电门的瞬时速度。 2．加速度的测量 在气垫导轨上，设置两个光电门，其间距为 S。使受到水平恒力作用的滑块 （做匀加速直线运动） 依次通过这两个光电门，计数器可以显示出滑块分别通过 这两个光电门的时间Δt1、Δt2 及通过两光电门的时间间隔Δt。滑块滑过第一 个光电门的初速度为 v1= 块的加速度为：
实验目的
1．学习气垫导轨和电脑计数器的调整方法； 2．验证牛顿第二定律。
实验仪器
气垫导轨、气源、滑块、砝码、电脑通用计数器
实验原理
验证性实验是在已知某一理论的条件下进行的。 所谓验证是指实验结果与理 论结果的完全一致，这种一致实际上是实验装置、方法在误差范围内的一致。由 于实验条件和实验水平的限制， 有时可以使实验结果与理论结果之差超出了实验 误差的范围， 因此验证性实验是属于难度很大的一类实验，要求具备较高的实验 条件和实验水平。 本实验通过直接测量牛顿第二定律所涉及的各物理量的值，并 研究它们之间的定量关系，进行直接验证。 1．速度的测量 悬浮在水平气垫导轨上的滑块，当它所受合外力为零时，滑块将在导轨上静 止或作匀速直线运动。在滑块上装两个挡光杆，当滑块通过某一个光电门时，第 一个挡光杆挡住照在光电管上的光，计数器开始计时，当另一个挡光杆再次挡光 时， 计数器计时停止，这样计数器数字显示屏上就显示出两个挡光杆通过光电门 的时间Δt 。 如果两个挡光杆轴线之间的距离为ΔL，可以计算出滑块通过光电门的平均 速度 v 为：
思ห้องสมุดไป่ตู้题
1．在验证牛顿第二定律时，为何将减去的砝码放在滑块上？ 2．若考虑到各种因素，当滑块在气垫导轨上经过两光电门的时间完全相等 时，是否可以认为导轨已真正处于水平状态？为什么？
附：仪器说明
气垫导轨是一种阻力极小的力学实验装置。它利用气源将压缩空气打入导轨 型腔，再由导轨表面上的小孔喷出气流，在导轨与滑行器之间形成很薄的气膜， 将滑行器浮起，并使滑行器能在导轨上作近似无阻力的直线运动。
气垫导轨使用注意事项
1．气孔不喷气时，不得将滑块放在导轨上，更不得将滑块在导轨上滑动。 2．每次实验前，都要把气轨调到水平状态，包括纵向和横向水平。 3．气轨表面不允许有尘土污垢，使用前需用干净棉花蘸酒精将气轨表面和 滑块内表面擦净。 4．接通气源后，须待导轨空腔内气压稳定、喷气流量均匀后，再做实验。 5．导轨与滑块配合很严密，气轨表面和滑块内表面有良好的直线度、平面 度和光洁度。所以，气轨表面和滑块内表面要防止磕碰、划伤和压弯。 6．在气垫导轨上做实验时，配合使用的附件很多，要注意将附件放在专用 盒里，轻质滑轮、挡光片以及一些塑料零件，要防止压弯、变形、折断。 7．不做实验时，导轨上不准放滑块和其它东西。
质量 M 成反比。
m1，砝码盘和砝码的质量为 m2，则该系统的总质 量 M = m1 + m2，该系统所受的合外力的大小 F=m2g，则有： F = Ma （4）
若实验中所用滑块质量为
实验内容
（一）调节气垫导轨水平 1．静态调平（粗调） 调节导轨底脚螺丝使滑块在导轨上无定向的自然运动， 也就是滑块能静止在 导轨上，可以认为导轨被初步调平。 2．动态调平（细调） 用适当的力推动滑块一下， 使它依次通过两个光电门，要求滑块通过两个光 电门的时间Δt1和Δt2的相对差异小于1%，或者通过两个光电门的瞬时速度v1和
数据处理
1．物体系的总质量M一定，验证外力与加速度成正比 ⑴ 计算出外力不同时加速度三个平均值 a1 、 a 2 和 a3 。 ⑵ 由(4)式计算出不同外力作用下加速度的理论值并与测量值进行比较， 以 理论值为标准值，求出误差，并表达出测量结果。 ⑶ 计算出F1/ a1 ，F2/ a 2 ，F3/ a3 的值，并得出相应结论。 2．物体系所受外力F一定，验证物体系的质量与加速度成反比 ⑴ 计算不同质量条件下，滑块各次运动的加速度的平均值。 ⑵ 由公式（4）式计算出作用力一定、不同质量条件下加速度的理论值，并 与测量值比较，求出误差。 ⑶ 计算 M/ M 和 a / a 的值，并得出相应结论。
L L ，滑块滑过第二个光电门的末速度为 v2= ，则滑 t 2 t1
a
3．验证牛顿第二定律
v 2 v1 t
或
a
2 v2 v12 2S
（2）
按照牛顿第二定律，对于一定质量 M 的物体，其所受的合外力 F 合和物体获 得的加速度 a 之间的关系如下： （3） F Ma 合 验证此定律可分为两步： （1）验证物体的质量 M 一定时，其所受合外力 F 合和物 体的加速度 a 成正比； （2）验证合外力 F 合一定时，物体的加速度 a 的大小和其
利用气垫导轨验证牛顿第二定律
牛顿(Isaac Newton，1643—1727 ，英国物理学家、数学家和天文学家 )是 17 世纪最伟大的科学巨匠。在物理学上，牛顿基于伽利略、开普勒等人的工作， 建立了三条运动基本定律和万有引力定律，并建立了经典力学的理论体系。在光 学方面，牛顿发现白色日光由不同颜色的光构成，并制成“牛顿色盘” ；关于光 的本性，牛顿创立了光的“微粒说” 。牛顿运动定律是在观察和实验的基础上归 纳总结出来的，已被公认为宏观自然规律。 本实验通过观察、测量及计算，得 到物体的加速度与其质量及所受外力的关系，进而验证牛顿第二定律。实验中采 用气垫导轨和光电计时系统，使牛顿第二定律的定量研究获得较理想的结果。
仪器调节
一．导轨的调平。 横向调平是借助于水平仪调节横向两个底角螺丝来完成；纵向调平有静态调 节和动态调节两种方法。 1．静态调节法 打开气泵给导轨通气，将滑块放在导轨上，观察滑块向哪一端移动，就说明 那一端低。 调节导轨底脚螺丝直至滑块保持不动或者稍有滑动但无一定的方向性 为止。原则上，应把滑块放在导轨上几个不同的地方进行调节。如果发现把滑块 放在导轨上某点的两侧时，滑块都向该点滑动，则表明导轨本身不直，并在该点 处下凹(这属于导轨的固有缺欠，本实验条件无法继续调整)。这种方法只作为导 轨的初步调平。 2．动态调节法 轻拨滑块使其在导轨上滑行，测出滑块通过两光电门的时间 t1 和 t2 ， t1 和
仪器介绍
气垫导轨实验装置由导轨、滑块和光电测量系统组成。 1．导轨（图 1） 导轨的主体是一根长约 1.5 米的截面为三角形的金属空腔管，在空腔管的侧 面钻有两排等间距并错开排列的喷气小孔。空腔管一端密封，另一端装有进气嘴 与气泵相连。气泵将压缩 空气送入空腔管后，再由 小孔高速喷出。在导轨上 安放滑块，在导轨下装有 调节水平用的底脚螺丝和 用于测量光电门位置的标 尺。整个导轨通过一系列 直立的螺杆安装在口字形铸铝梁上。 2．滑块 滑块是由长约 0.100—0.300 米的角铝做成的。其角度经过校准，内表面经过 细磨，与导轨的两个上表面很好吻合。当导轨的喷气小孔喷气时，在滑块和导轨 这两个相对运动的物体之间，形成一层厚约 0.05-0.20mm 流动的空气薄膜—气 垫。由于空气的粘滞阻力几乎可以忽略不计，这层薄膜就成为极好的润滑剂，这 时虽然还存在气垫对滑块的粘滞阻力和周围空气对滑块的阻力， 但这些阻力和通 常接触摩擦力相比，是微不足道的，它消除了导轨对运动物体（滑块）的直接摩 擦， 因此滑块可以在导轨上作近似无摩擦的直线运动。滑块中部的上方水平安装 着挡光片，与光电门和计时器相配合，测量滑块经过光电门的时间或速度。滑块 上还可以安装配重块（即金属片，用以改变滑块的质量） 、接合器及弹簧片等附 件，用于完成不同的实验。滑块必须保持其纵向及横向的对称性，使其质心位于 导轨的中心线且越低越好，至少不宜高于碰撞点。 3．光电测量系统 光电测量系统由光电门和光电计时器组成，其结构和测量原理如图 2 所示。 图 1