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利用气垫导轨验证牛顿第二定律实验报告 --- 中国石油大学华东
利用气垫导轨验证牛顿第二定律
【摘要】：气垫导轨是为研究无摩擦现象而设计的力学实验设备，在导轨表面分布着许多小孔，压缩空气从这些小孔中喷出，在导轨和滑块之间形成了月 0.1mm 厚的空气层，即气垫，由于气垫的形成，滑块被托起，使滑块在气垫上作近似无摩擦的运动。

利用气垫导轨，再配以光电计时系统和其他辅助部件，可以对做直线运动的物体（即滑块）进行许多研究，如测定速度、加速度、验证牛顿第二定律，研究物体间的碰撞，研究简谐运动的规律等。

【关键词】气垫导轨、通用计数器、测速的试验方法、牛顿第二定律、控制变
量法、导轨调平
实验回顾
【实验目的】
1．熟悉气垫导轨和MUJ-613电脑式数字毫秒计的使用方法。

2．学会测量滑块速度和加速度的方法。

3．研究力、质量和加速度之间的关系，通过测滑块加速度验证牛顿第二定
律。

【实验原理】
（一）仪器使用原理
1．气垫导轨
如图 4-1 所示，气垫导轨是一种摩擦力很小的实验装置，它利用从导轨表
面小孔喷出的压缩空气，在滑块与导轨之间形成很薄的空气膜，将滑块从导轨面
上托起，使滑块与导轨不直接接触，滑块在滑动时只受空气层间的内摩擦力和周
围空气的微弱影响，这样就极大地减少了力学实验中难于克服的摩擦力的影响，
滑块的运动可以近似看成无摩擦运动，使实验结果的精确度大为提高。

图 4-1 气垫导轨装置图
2．MUJ-613电脑式数字毫秒计
MUJ-613 电脑式数字毫在用气垫导轨验证牛顿第二定律实验中，我们采用
秒计测量时间。

利用它的测加速度程序，可以同时测量出滑块通过两个光电门
的时间及滑块通过两个光电门之间的时间间隔。

使用计数器时，首先将电源开关打开（后板面），连续按功能键。

使得加速度功能旁的灯亮，气垫导轨通入压缩空气后，使装有两个挡光杆的滑块依次通
过气垫导轨上的两个光电门计数器按下列顺序显示测量的时间：
显示字符含义单位
通过第一个光电门的速度1
cm/s ( 亮 )
××·××
通过第二个光电门的速度2
cm/s ( 亮 )
××·××
1— 2在第一和第二个光电门之间运动的
加速度cm/s 2 ( 亮)
××·××
若不是要求的单位亮则按转换键即可显示要求的单位。

（二）验证牛顿第二定律实验原理
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如图4-2 所示，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 t 。

图 4-2 滑块
如果两个挡光杆轴线之间的距离为 L ，可以计算出滑块通过光电门的平均
速度 v 为：
L （1-1 ）
v
t
由于 L 比较小（ 1cm 左右），
在 L 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 t 1、 t 2 及通过两光电门的时间间隔t 。

滑块滑过第 一个光电门的初速度为 v 1
L ，滑块滑过第二个光电门的末速度为
v 2
L
，则
=
=
t 2
t 1
滑块的加速度为：
a v 2 v 1
或 a
v 22
v 12
（1-2 ）
t
2S
3．验证牛顿第二定律
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：
F 合
M
（ 1-3 ） = a
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
质量 M 成反比。

若实验中所用滑块质量为
m 1，砝码盘和砝码的质量为
m 2，则该系统的总质
量 M =m 1+m 2，该系统所受的合外力的大小 F =m 2g ，则有：
F Ma
（1-4 ）
=
【实验仪器】
气垫导轨，滑块， MUJ-613电脑式数字毫秒计，砝码。

【实验步骤】
（一）调节光电计时系统
将气垫导轨上的两个光电门引线接入MUJ-613电脑式数字毫秒计后面板的P1 及P 2插口上，打开 MUJ-613电脑式数字毫秒计电源开关。

将气垫导轨气源接通，用适当的力推动滑块一下，使它依次通过两个光电门，看 MUJ-613电脑式数字毫
秒计是否能正常记录时间，若不正常请检查挡光杆是否挡光及检查光电管照明
是否充分。

（二）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t 1和t 2相对差异小于。

否则应继续调节导轨底脚螺丝，直至
1%
达到要求。

（三）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）。

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′。

【数据处理】
1.保持系统合外力 F 不变，改变系统总质量 M，验证 a&1/M，即 Ma=F，
两光电门之间距离 S=50cm
当光片宽度 l=1cm
M：砝码 1 只 +砝码盘
M1 ：小滑块 +砝码 1 只 +砝码盘 +挡光片 +套钩 +钩 +固定螺钉 3 只
M2 ：M1+配重块 2 个+固定螺钉 2 只
M3 ：M2+配重块 2 个
M2=10.27g F=m2*g=0.1006N
系统质量 /g 加速度加速度平均值力 F/N Fi 与F比较（百
/cm/s^2 /cm/s^2 分误差）
M1=182.44 51.19 51.11 0.0932 7%
50.95
51.20
M2=288.89 32.79 32.70 0.0945 6%
32.82
32.49
M3=388.97 21.18 21.14 0.0892 11%
21.15
21.10
系统合外力不变，加速度与系统质量关系
60
50
40
度
加速度速 30
线性 ( 加速度) 加
20
10
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
系统质量
2.保持系统总质量不变，改变系统的合外力 F 的大笑，验证 F 正比于 a 两
光电门之间距离 s=50cm，挡光片宽度 l=1cm
系统总质量 M=87.00g
m2/g加速度 a/cm*s^-2
1 2 3 平均值
m 21=砝码 5.26 0.0438 0.0435 0.0432 0.0435 盘质量
m 22=m21+1 10.27 0.0970 0． 0974 0.0976 0.0973 只砝码质
量
m 23=m21+2 15.28 0.1468 0.1466 0.1444 0.1460 只砝码质
量
m 23=m21+3 20.29 0.1941 0.1935 0.1949 0.1942 只砝码质
量
m 24=m 25.30 0.2451 0.2500 0,2480 0.2477 21+4 只砝
码质量
系统质量不变，系统合外力与加速度关系
0.3
0.25
0.2
度
加速度速 0.15
线性 ( 加速度) 加
0.1
0.05
0 50 100 150 200 250 300
系统所受合外力
【实验误差讨论】
1.空气阻力的影响，滑块运动的过程中总会受到空气阻力的影响，无法到达理
想状况。

2.做实验时温度气压等外在因素的影响，使得g 的理论值不是那么准确
3.验证牛顿第二定律时，砝码盘的质量因为不可直接放到天平上称量，可能不
是那么准确
4.实验存在系统误差和读书上的误差
【实验优点】
1.实验中采用气垫导轨大大减小了实验的摩擦误差，这样能够使实验数据更准
确。

2.试验中分别从质量一定，控制力的大小和力的大小一定，质量改变做运动来
实施实验，更加增加了实验的准确性和全面性。

【小结】
做实验时，挡光片的选择需要根据第一组数据中的误差关系来选择。

实验过程中要讲究细心、耐心，千万不可心浮气躁，值得一提的是在气垫导轨调平的时候要仔细观察，分为粗调和细调使得滑块静止或者左右微微摆动，细调要使 t1<t2. 。

实验过后，需要掌握气垫导轨的调整与使用，通用计数器的基本功能与使用方法，气垫导轨上测速度和加速度的试验方法。

验证牛顿第二定律（选择合理的实验方案和数据处理方法验证物理定律，体会物理实验中需要严谨的作风和科学的方法）。