实验3.3

气轨上测物体的速度和加速度

利用气垫导轨来模拟理想状态下的无摩擦条件，就可极大地减小力学实验中由于摩擦力引起的误差，使实验结果接近理论值。在气轨实验中，我们可以对多种力学量进行测定，并对力学定律进行验证。

一、实验目的

（1）学习使用气垫导轨和数字毫秒计；

（2）加深对瞬时速度与加速度概念的认识；

（3）学习在低摩擦情况下研究力学问题的方法。

二、实验原理

如图3-3-1所示，将气轨支成小倾角斜面，在滑块 m 上安装挡光宽度 Δ s ＝1.0 cm的 B 挡光片，光电门 G ₁ 、 G ₂ 分别固定在气轨上 A 、 B 点，距离 s 可以取30~40 cm。

挡光片前后两次穿过光电门 G ₁ 、 G ₂ ，就会得到两个时间 Δ t ₁ 、 Δ t ₂ 。于是 A 、 B 两点处的速度分别为

于是我们可以得出在距离 s 间，滑块 m 的加速度为

三、实验仪器

1.气垫导轨

如图3-3-2所示，气垫导轨利用从导轨表面的小孔中喷出的压缩空气，使导轨表面和滑块之间形成一层很薄的气膜——气垫，将滑块浮在导轨上，从而消除了接触摩擦，提高了实验的精确程度。它和数字计时器、气源配合使用，可做多种力学实验，且误差甚小，是目前较为理想的力学实验仪器。

下面对气垫导轨的各部分进行介绍：

（1）导轨是一金属空腔，其一端封闭，另一端装有进气嘴，导轨工作面上均匀分布着喷气小孔，轨面前侧装有标尺。

（2）滑块：它是在导轨上运动的物体，共有两件，其上可装挡光片，如图3-3-3所示。挡光片有一定的挡光宽度，称为计时宽度。滑块运动时，挡光片的计时宽度 Δ s 就是 Δ t 时间内滑块的位移。此外，滑块上还可安装缓冲弹簧、附加砝码等。

（3）光电门：光电门由光敏二极管和聚光灯呈上下安装构成，聚光灯点亮时，正好照在光敏二极管上，利用光敏二极管受光照和不受光照的电阻阻值差异，刚好获得电压控制信号，用来控制数字毫秒计计时或停止。

（4）支撑螺钉：它是用来调导轨的纵向、横向水平的，也可根据实验要求使导轨向某一端倾斜。

2.气源

气源就是空气压缩机，它使压缩空气从气垫导轨工作面上的小孔喷出，使滑块与导轨面之间形成气垫。

3.数字毫秒计

数字毫秒计可分为主机和光电门两部分。光电门通过导线与主机连接。JSJ-3型数字毫秒计主机的面板控制器布局如图3-3-4所示。

（1）计时方法：数字毫秒计的启停，可用光电信号控制（也可以用机械触点开关控制）。用光电信号控制（简称光控）时，有 A 、 B 两种计时方式。当计时方式选择开关拨向 A 时，使用 A 挡光片，如图3-3-3所示。 A 挡光片挡光开始计时，不挡光立即停止计时，数码管显示的是一次挡光的时间（即通过 Δ s 位移所需要的时间 Δ t ）；当计时方式选择开关拨向 B 时，使用 B 挡光片，挡光片第一次挡光开始计时，到第二次挡光就停止计时，数码管显示的是连续两次遮光的时间间隔。

（2）时基信号：时基信号分10、1和0.1 ms三种，供选择测量精度所用。例如，按下“10ms”键，数码管显示数字是“2 638”时，则计时时间为2 638×10 ms＝26.38 s。其他选择可以此类推。

（3）复零（也称清零）：有手动和自动两种复零方式。采用手动复零，需按手动复零按钮后，数码管的显示方为零；复零按钮置于“自动”位置时，则停止计时后延长一定的时间自动复零，延长的时间可在0~3 s范围内任意选择，选择延时时间由延时旋钮调节。

四、实验步骤

（1）按数字毫秒计的使用方法，把两光电门与数字毫秒计连接起来。将控制方式选择开关置于“光控”位置；选择适当的计时方式（ A 挡或 B 挡）；复零按钮置于“自动”位置，选择适当的延时旋钮，按下“0.1 ms”时基信号键，接上电源，经指导教师检查无误后打开电源开关，检查数字毫秒计工作是否正常。

（2）调整气垫导轨的地脚螺丝使导轨水平。检测是否水平的方法，是看滑块运动经过两光电门的时间是否基本相等（相对误差应小于1％）。

（3）调节导轨单脚螺钉，使导轨产生倾角，滑块可以沿导轨做匀加速直线运动。

（4）记录所用的挡光片类型和挡光宽度 Δ s 值，记录光电门之间的距离 s 值。

（5）由某个位置 O 点释放滑块，顺次通过两个光电门，在“数字表”窗口中就分别显示出挡光片通过两个光电门的时间 Δ t ₁ 和 Δ t ₂ ，记录下这两个时间。

（6）依据公式 、 ，分别计算出挡光片通过两个光电门的平均速度，记录在表格中。

（7）再以这两个平均速度作为瞬时速度，依据公式 计算出滑块运动的加速度。

五、数据记录与处理

△s=___________。

六、注意事项

（1）应特别注意保护滑块，切不可掉在地上，否则将使滑块立刻变成废品（此滑块不能修复）。

（2）不能用手触摸导轨表面，以免汗渍污染腐蚀导轨。

（3）实验开始时应该先开气泵，再放置滑块；实验结束后应先取下滑块，再关气泵。

（4）各组的滑块不能相互挪用。

（5）操作中若出现滑块在导轨上某一段位置浮起困难的现象，则表明该段导轨的气孔有堵塞现象，此时应用专用细钢丝对该段气孔进行疏通。

（6）气源的气泵要随手关闭，以免长时间运转导致其过热。

（7）实验结束后，应及时关断气泵和计数器电源，并将两滑块放于紧靠导轨的桌面上，然后用脱脂棉蘸取少量丙酮擦拭导轨表面，最后盖上防尘布。

七、预习思考题

1.气轨实验是如何避免摩擦力对速度测量的影响？

2.调节气轨时应该调节哪个螺钉？怎样判断气轨已经调节水平？

八、问题讨论

如果按照 的实验原理测加速度，应怎样测量时间 t ？ qWWNOTQbY5/jQUiOEdTzbthzF+ToFjgPI5QUbfcyLjgyeLmwFNQomrRjToGi5nLp