在物理实验中由于摩擦的存在，力学实验的误差往往很大，采用气垫装置后，物体在导轨上运动，由于气垫的漂浮作用，使运动物体与导轨面实际上不发生任何直接接触，这就大大地减小了运动时的摩擦阻力，使实验现象更为直观，实验结果接近于理论值。

1 实验目的

1）学会使用气垫导轨和数字毫秒计。

2）掌握测量速度和加速度。

3）观测、验证简谐振动的运动规律。

2 实验仪器

气垫导轨、滑块，数字毫秒计，弹簧。

3 实验原理

3.1速度和加速度的测量

物体作直线运动时，如果在△t时间间隔内，通过的位移为△x，则物体在△t的时间间隔内的平均速度V为：

（1）

当△t趋近于零时，平均速度的极限值就是该时刻（或是该位置）的瞬时速度。

当滑块在气垫导轨上运动时，通过测量滑块上的档光板经过光电门的档光时间△t和测量档光板的宽度△x（见图2-1）。即可求出滑块在△t时间内的平均速度v。由于档光板宽度比较窄，可以把平均速度近似地看成滑块通过光电门的瞬时速度。档光板愈窄，相应的△t就愈小，平均速度就更为准确地反映滑块在经过光电门位置时的瞬时速度。

在水平的气轨上的滑块，如果受到水平方向和恒力作

用，则滑块在气轨上作匀加速度运动，分别测量滑块通过

两个光电门时的初速度

和末速度

，并测出两个光电

门的间距S，则滑块的加速度a 为：

(2)

在水平的气轨的倾斜度调节螺丝下面，垫进垫块。 图 2-1 挡光板

如图2-2所示，使导轨倾斜，滑块在斜面上所受的合力为mgSinα 是一个常量，因此，滑块作加速度直线运动，即：

（3）

式中L为导轨地脚螺丝间的距离，h为垫块的厚度。由（2）（3）两式可得：

（4）

图2-2 气垫导轨示意图

4 实验内容及步骤

4.1.1接通数字毫秒计

1）将数字毫秒计开关打开，显示屏上显示“P”，表示数字毫秒计处于待测状态。

2）将输入选择键置于白炽灯，光电门上的小灯珠亮。

3）将功能/修改键置于

。

4）将时标/预置键置于0.1ms ( 即显示屏上的左边第1位)。

5）用铅笔杆对任一光电门作短暂挡光，毫秒计开始计时，显示屏上左边第1位出现“一”杆，若再档一下光，毫秒计就显示数据，表示毫秒计光电系统正常工作。

6）按复位键进行更换测量方式。然后重新选用功能/修改键设定仪器测量方式。

4.1.2调节气垫导轨水平

1）滑块静止判断法：通气后将滑块置于导轨上的任何位置，若滑块都能静止不动（或基本上不动），则可认为导轨已调平，否则，继续调单脚螺丝，直到水平为止。

2）滑块运动判断法：将功能/修改键置于

方式，滑块插上空心档光板，让运动的滑块以一定速度先后通过相距约50cm的两个光电门，若毫秒计上，显示的两个时间

两近似相等，则可认为导轨已调水平，否则要继续调节螺旋，直到水平为止。

3）调水平后，在导轨的一端垫上一块厚1.00cm的垫块，使导轨倾斜。

4）调整光电门的位置。将光电门

置于标尺100.00cm处，

置于标尺的50.00cm处，使

。

5）让滑块从导轨的高端自由滑下，测出滑块经过第一个光电门和第二个光电门的档光时间

和

。（用空心档光片，挡光片的宽度为

。）重复测量8次，并确定滑块经过两光电门位置的速度、加速度及其不确定度。

6）把垫块换到导轨的另一端，按照步骤5再测两次取平均值。

7）用（4）式计算重力加速度。

五 数据处理要求

1）设计时间测量数据记录表格。

2）计算速度、加速度测量平均值及不确定度。

3）计算重力加速度测量平均值及不确定度。

附录一 气垫导轨简介

气垫导轨是利用从它表面的小孔喷出的压缩空气，使导轨表面与滑块之间形成一层很薄的“气垫”，将滑块浮起，滑块在导轨表面运动时，就不存在接触摩擦力，而只有很小的空气粘滞力和空气阻力，滑块的运动可近似看成是无摩擦力的运动，而只有很小的空气粘滞力和空气阻力，滑块的运动可近似看成是无摩擦力的运动。

1气垫导轨的结构

如图2-3所示，气垫导轨是一种力学装置，它由导轨、滑块和光电门三部分组成。

图2-3 气垫导轨

1）导轨是一根长1.5m 固定于I字钢上的三角形金属腔体，在管腔上部相邻的两个侧面上，钻有两组等距离的小孔。导轨的一端封死，另一端为进气嘴，当压缩空气由进气嘴送入管腔后，就从小孔喷出高速气流。在I字钢架的底部有三个底脚螺丝，分居在导轨两端，其中双脚端螺丝用来调节导轨两侧面底线的高度相等，单脚螺丝用来调节导轨的水平。

2）滑块：滑块是自制可调的长约15cm的玻璃滑块，调整其内表面与导轨的两个侧面精密吻合。当导轨上小孔喷出气流时，在滑块与导轨之间便形成很薄的气层，使滑块悬浮在导轨上，故滑块能在导轨上作接近于无摩擦的运动。滑动两端装有缓冲弹簧，中间装有用来测量时间间隔的挡光板。

3）光电门：它是一个倒U钢板，固定在导轨两侧，在两侧面相对的位置上装有聚光小灯泡和光敏二极管。聚光小灯泡可360°调整其光照角度，使正好照在光敏管上。光敏管受光照射时，电阻较小，无光照射时电阻就大得多，利用这两种状态下的电阻变化，可获得一个讯号电压，用来控制数字毫秒计计数和停止。

2气垫导轨使用注意事项

1）导轨表面和滑块都是经仔细加工，两者配套使用，不要随意更换。实验中严禁敲、碰、划伤破坏表面的光洁度。导轨未通入压缩气体时，不许将滑块放在导轨上面滑动，滑块要夹装或调整档光板时，要把滑块从导轨上取下，装好后再放上去，以防挫伤表面。

2）实验前，导轨表面和滑块内表面要用棉花沾少许酒精擦洗干净。实验完毕，要先取下滑块，把所有的附件放入附件盒，然后再关掉气源。

附录二 数字毫秒计

数字毫秒计是采用MCS—48八位单片微电脑设计而成，具有测量精度高，可靠性能好、操作方便，读数准确等优点是一种具有存储功能的时间计量仪器。

1数字毫秒计的工作原理

光电输入信号经过整形，放大产生低电平，引起单片机8039外部中断，并启动8039内部定时器对标准的时标脉冲进行计数即计时，利用内部存储器每次输入的计时值。测量完后，进行数据处理，采用动态扫描的方式将多个时间数值显示出来。

仪器的面板如图2-4所示。

图2-4(a) 数字毫秒计面板图

图2-4(b) 数字毫秒计背面图

2数字毫秒计的使用

1）打开电源，显示屏上显示“P”

2）显示屏上可显示五位数据以及小数点、P、

、E、

—

等符号。

3）控制按键：

a、功能/修改键：所有功能均由此键选择，重复按此键，显示屏上循环显示符号

，

分别表示仪器的六种计时方式。

b、时标/预置键：仪器的时标及量程由此键选定，连续按此键，显示屏上的小数点从左到右循环移动，小数点的不同位置分别代表0.1ms、1ms、10ms、100ms、1s五档不同时标。如果选0.1ms档，只需按此键1下，这时显示屏在第1位置示小数点，即最低位数的显示数为0.1ms位，小数点前为秒的整数位，计时最大量程为 6.5535秒。又如选择10ms档。连续按此键，待小数点在第三位显示时，停止按键，即最低位数为10ms 位，小数点前为秒的整数位，计数最大量程为655.35秒。

不同的时标档所对应的最大计时量程如下：

0.1ms 1ms 10 ms 100ms 1s

6.5535s 65.535s 655.35s 6553.5s 65535s

利用时标键可以重复测量，仪器在

方式工作时，此键还作为预置数键使用。

c、复位键：当需要更换测量方式时，则按此键，然后重新选用功能/修改键，设定仪器测量方式。

4）输入选择开关：置白炽灯位置，应使用以白灯为光源的光电转换器，置于红外位置，应使用以红外二极管为光源的光电转换器；置于中间触控位置时，则为触点控制输入方式。

3数字毫秒计的使用注意事项：

毫秒计是精密仪器，使用前应仔细阅读有关附录，如果仪器发生故障，要及时向教师反映，不得自行随意乱按面板按键。