气垫导轨实验探究牛二

二、探究牛顿第二定律

【实验目的】

1．利用气垫导轨测定速度和加速度。 2．验证牛顿第二定律。

3．了解气垫导轨的构造，掌握它的调平方法。 【仪器简介】

气垫导轨导轨表面小孔喷出的压缩空气，使导轨表面与滑行器之间形成一层很薄的“气垫”将滑行器浮起，使运动时的接触摩擦阻力大为减小，从而可以进行一些较为精确的定量研究。工业上利用气垫技术，还可以减少机械或器件的磨损，延长使用寿命，提高速度和机械效率，所以，气垫技术在机械、纺织、运输等工业生产中得到广泛应用，如气垫船、空气轴承、气垫输送线等。 1．

气垫导轨是一种力学实验装置，它主要由空腔导轨、滑行器、气源和光电门装置组成，如图1所示。

滑块

导轨是用一根平直、

金制成，固定在一根刚性较强的钢梁上。导轨长为1.5m，轨面上均匀分布着孔径为

0.6mm的两排喷气小孔，导轨一端封死，另

一端装有进气嘴。当压缩空气经管道从进气

嘴进入腔体后，就从小气孔喷出，托起滑行器，滑行器漂浮的高度，视气流大小及滑行图1 气垫导轨 器重量而定。为了避免碰伤，导轨两端及滑

轨上都装有弹射器。在导轨上装有调节水平用的地脚螺钉。双脚端的螺钉用来调节轨面两侧线高度，单脚端螺钉用来调节导轨水平。或者将不同厚度的垫块放在导轨底脚螺钉下，以得到不同的斜度。导轨一侧固定有毫米刻度的米尺，便于定位光电门位置。滑轮和砝码用于对滑行器施加外力。

滑行器是导轨上的运动物体，长度为156mm，也是用铝合金制成，其下表面与导轨的两个侧面精密吻合，根据实验需要，滑行器上可以加装挡光片、加重块、尼龙扣、弹射器等附件。

气源为专用气泵，用气管与导轨连接。

光电计时装置由光电门毫秒计组成。J0201-CHJ存储式数字毫秒计采用单片微处理器，程序化控制，可用于各种计时、计数、测速度等，并具备多组实验数据的记忆存储功能。仪器面板如图2所示。

1

1) 数据显示窗口：显示测量数据、光电门故障信息等。

2）单位显示：[s]、[ms]、cm/s]、[cm/s2]或不显示（计数时不显示单位）。

3）功能选择指示：C—计数 a—加速度 S1—遮光计时 g—重力加速度

S2—间隔计时 Col—碰撞 T—振子周期 Sgl—时标

4）【功能】键：功能选择。 5）【清零】键：清除所有实验数据。 6）【停止】键：停止测量，进入循环显示数据或锁存显示数据。 7）【6V/同步】：与J04217自由落体试验仪或J04227斜槽轨道配合使用。 1号光电门输入插座、2号光电门输入插座及电源开关在仪器的后板上。

【实验原理】 1．速度的测定

x

物体作直线运动时，平均速度为，时间间隔t或x越小时，平均速度越接

t

近某点的实际速度，取极限就得到某点的瞬时速度。在实验中直接用定义式来测量某点的瞬时速度是不可能的，因为当t趋向零时x也同时趋向零，在测量上有具体困难。但是在一定误差范围内，我们仍可取一很小的t，及其相应的x，用其平均速度来近似的代替瞬时速度。

被研究的物体（滑行器）在气垫导轨上作“无磨察阻力”的运动，滑行器上装有一个一定宽度的挡光片，当滑行器经过光电门时，挡光片前沿挡光，计时仪开始计时；挡光片后沿挡光时，计时立即停止。计时器上显示出两次挡光所间隔的时间t；x则是挡光片两片同测边沿之间的宽度。如图1所示。由于x较小，相应的t也较小。故可将x与t的比值看作是滑行器经过光电门所在点（以指针为准）的瞬时速度。

图1 挡光片

2．加速度的测定

2

当滑行器在水平方向上受一恒力作用时，滑行器将作匀加速直线运动。其加速度由公式2022(xx0)，即



202

2(xx0)

（1）

得到。

根据上述测量速度的方法，只要测出滑行器通过第一个光电门的初速度0，及第二个光电门的末速度，从光电门的指针可以读出x0和x，这样根据上式就可算得滑行器的加速度。

3．验证牛顿第二定律

牛顿第二定律是动力学的基本定律。其内容是物体受外力作用时，物体获得的加速度的大小与合外力的大小成正比，并与物体的质量成反比。

图2 验证牛顿第二定律

图2中，滑行器质量为m1，砝码盘和砝码的总质量m2，细线张力为T，则有

m2gTm2aTm1a

（2）

合外力

F=m gm(a2\1m2)令M=m1m2，则

F=Ma (3)

F

为一常量；在恒力（F保a

持不变）作用下，M大的物体，对应的加速度小，反之亦然。由此可以验证牛顿第二定

由推得的公式可以看出：F越大，加速度a也越大，且

律。其中加速度a由公式（1）求得。 【实验内容】

1．调平气垫导轨。应将气垫导轨的纵横两个方向都调平。横向调平时细心调节双脚螺旋B中的一个螺旋的升降，直到滑行器与导轨两测的间隙相等为止（已由实验室调好）。纵向调平时，调节单脚螺旋A的升降，先粗调，后细调。

（1）粗调：打开气源，使滑行器浮起，将滑行器先后放在导轨左端和右端，由静止释放，观察其是否向左右自行滑动，若向某个方向滑动，就表明导轨未调平，该方向低。细心调节单脚螺旋的升降，直到滑行器基本上可以静止在导轨上任意位置为止。

（2）细调：细调采用单向动调法，接通J0201—CHJ存储式数字毫秒计的电源，选择功能为间隔计时，将两光电门置于导轨左右两端距端点约30.00㎝处，然后，将滑行器拉止左端，用手向右轻推，使滑行器以中等速度（30-60㎝/s，时间显示为117.00-233.0ms）滑行，数字毫秒计测量出△x经过光电门1和光电门2所用的时间△t1和△t2，反复细心调节单脚螺旋A，使△t1=△t2。由于气垫的粘滞力和空气阻力等影响，

3

处所用的时间T。

（5）按所测出的时间数据，分别计算通过G1和G2的瞬时速度1物体运动加速度a

xx，2和

t2t1

21

t

的值。

（6）将光电门G1，G2分别置于30cm，80cm处和30cm、90cm处分别重复上述实

注意每次实验滑行器要紧靠起始板轻轻开始运动。 在合外力F不变时，验证加速度a与物体质量M的关系。 （1）实验步骤同上实验中的（1）、（2）、（3）。

（2）计时器的功能选择“a”档，在砝码桶内加上一定质量的砝码（如3×5g），导轨通气，让滑行器从起始档板开始运动，通过两个光电门，计时器会自动测出并显示加速度a数值。

（3）再将砝码桶中的两个砝码分两次从砝码桶中移至滑行器上，重复上述步骤。验证在合外力F不变时，加速度a的大小与物体质量M的大小成反比。 【数据记录】

1.测量加速度数据表

m2g

xcmMm1m2ga计cm/s2

m1m2

5

百分偏差

计100％。 a计

2．验证加速度与合外力关系的数据表

xxcmmgm加重块

g

xxcmmgm加重块

g

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二、探究牛顿第二定律

【实验目的】

1．利用气垫导轨测定速度和加速度。 2．验证牛顿第二定律。

3．了解气垫导轨的构造，掌握它的调平方法。 【仪器简介】

气垫导轨导轨表面小孔喷出的压缩空气，使导轨表面与滑行器之间形成一层很薄的“气垫”将滑行器浮起，使运动时的接触摩擦阻力大为减小，从而可以进行一些较为精确的定量研究。工业上利用气垫技术，还可以减少机械或器件的磨损，延长使用寿命，提高速度和机械效率，所以，气垫技术在机械、纺织、运输等工业生产中得到广泛应用，如气垫船、空气轴承、气垫输送线等。 1．

气垫导轨是一种力学实验装置，它主要由空腔导轨、滑行器、气源和光电门装置组成，如图1所示。

滑块

导轨是用一根平直、

金制成，固定在一根刚性较强的钢梁上。导轨长为1.5m，轨面上均匀分布着孔径为

0.6mm的两排喷气小孔，导轨一端封死，另

一端装有进气嘴。当压缩空气经管道从进气

嘴进入腔体后，就从小气孔喷出，托起滑行器，滑行器漂浮的高度，视气流大小及滑行图1 气垫导轨 器重量而定。为了避免碰伤，导轨两端及滑

轨上都装有弹射器。在导轨上装有调节水平用的地脚螺钉。双脚端的螺钉用来调节轨面两侧线高度，单脚端螺钉用来调节导轨水平。或者将不同厚度的垫块放在导轨底脚螺钉下，以得到不同的斜度。导轨一侧固定有毫米刻度的米尺，便于定位光电门位置。滑轮和砝码用于对滑行器施加外力。

滑行器是导轨上的运动物体，长度为156mm，也是用铝合金制成，其下表面与导轨的两个侧面精密吻合，根据实验需要，滑行器上可以加装挡光片、加重块、尼龙扣、弹射器等附件。

气源为专用气泵，用气管与导轨连接。

光电计时装置由光电门毫秒计组成。J0201-CHJ存储式数字毫秒计采用单片微处理器，程序化控制，可用于各种计时、计数、测速度等，并具备多组实验数据的记忆存储功能。仪器面板如图2所示。

1

1) 数据显示窗口：显示测量数据、光电门故障信息等。

2）单位显示：[s]、[ms]、cm/s]、[cm/s2]或不显示（计数时不显示单位）。

3）功能选择指示：C—计数 a—加速度 S1—遮光计时 g—重力加速度

S2—间隔计时 Col—碰撞 T—振子周期 Sgl—时标

4）【功能】键：功能选择。 5）【清零】键：清除所有实验数据。 6）【停止】键：停止测量，进入循环显示数据或锁存显示数据。 7）【6V/同步】：与J04217自由落体试验仪或J04227斜槽轨道配合使用。 1号光电门输入插座、2号光电门输入插座及电源开关在仪器的后板上。

【实验原理】 1．速度的测定

x

物体作直线运动时，平均速度为，时间间隔t或x越小时，平均速度越接

t

近某点的实际速度，取极限就得到某点的瞬时速度。在实验中直接用定义式来测量某点的瞬时速度是不可能的，因为当t趋向零时x也同时趋向零，在测量上有具体困难。但是在一定误差范围内，我们仍可取一很小的t，及其相应的x，用其平均速度来近似的代替瞬时速度。

被研究的物体（滑行器）在气垫导轨上作“无磨察阻力”的运动，滑行器上装有一个一定宽度的挡光片，当滑行器经过光电门时，挡光片前沿挡光，计时仪开始计时；挡光片后沿挡光时，计时立即停止。计时器上显示出两次挡光所间隔的时间t；x则是挡光片两片同测边沿之间的宽度。如图1所示。由于x较小，相应的t也较小。故可将x与t的比值看作是滑行器经过光电门所在点（以指针为准）的瞬时速度。

图1 挡光片

2．加速度的测定

2

当滑行器在水平方向上受一恒力作用时，滑行器将作匀加速直线运动。其加速度由公式2022(xx0)，即



202

2(xx0)

（1）

得到。

根据上述测量速度的方法，只要测出滑行器通过第一个光电门的初速度0，及第二个光电门的末速度，从光电门的指针可以读出x0和x，这样根据上式就可算得滑行器的加速度。

3．验证牛顿第二定律

牛顿第二定律是动力学的基本定律。其内容是物体受外力作用时，物体获得的加速度的大小与合外力的大小成正比，并与物体的质量成反比。

图2 验证牛顿第二定律

图2中，滑行器质量为m1，砝码盘和砝码的总质量m2，细线张力为T，则有

m2gTm2aTm1a

（2）

合外力

F=m gm(a2\1m2)令M=m1m2，则

F=Ma (3)

F

为一常量；在恒力（F保a

持不变）作用下，M大的物体，对应的加速度小，反之亦然。由此可以验证牛顿第二定

由推得的公式可以看出：F越大，加速度a也越大，且

律。其中加速度a由公式（1）求得。 【实验内容】

1．调平气垫导轨。应将气垫导轨的纵横两个方向都调平。横向调平时细心调节双脚螺旋B中的一个螺旋的升降，直到滑行器与导轨两测的间隙相等为止（已由实验室调好）。纵向调平时，调节单脚螺旋A的升降，先粗调，后细调。

（1）粗调：打开气源，使滑行器浮起，将滑行器先后放在导轨左端和右端，由静止释放，观察其是否向左右自行滑动，若向某个方向滑动，就表明导轨未调平，该方向低。细心调节单脚螺旋的升降，直到滑行器基本上可以静止在导轨上任意位置为止。

（2）细调：细调采用单向动调法，接通J0201—CHJ存储式数字毫秒计的电源，选择功能为间隔计时，将两光电门置于导轨左右两端距端点约30.00㎝处，然后，将滑行器拉止左端，用手向右轻推，使滑行器以中等速度（30-60㎝/s，时间显示为117.00-233.0ms）滑行，数字毫秒计测量出△x经过光电门1和光电门2所用的时间△t1和△t2，反复细心调节单脚螺旋A，使△t1=△t2。由于气垫的粘滞力和空气阻力等影响，

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处所用的时间T。

（5）按所测出的时间数据，分别计算通过G1和G2的瞬时速度1物体运动加速度a

xx，2和

t2t1

21

t

的值。

（6）将光电门G1，G2分别置于30cm，80cm处和30cm、90cm处分别重复上述实

注意每次实验滑行器要紧靠起始板轻轻开始运动。 在合外力F不变时，验证加速度a与物体质量M的关系。 （1）实验步骤同上实验中的（1）、（2）、（3）。

（2）计时器的功能选择“a”档，在砝码桶内加上一定质量的砝码（如3×5g），导轨通气，让滑行器从起始档板开始运动，通过两个光电门，计时器会自动测出并显示加速度a数值。

（3）再将砝码桶中的两个砝码分两次从砝码桶中移至滑行器上，重复上述步骤。验证在合外力F不变时，加速度a的大小与物体质量M的大小成反比。 【数据记录】

1.测量加速度数据表

m2g

xcmMm1m2ga计cm/s2

m1m2

5

百分偏差

计100％。 a计

2．验证加速度与合外力关系的数据表

xxcmmgm加重块

g

xxcmmgm加重块

g

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