气垫导轨是一种摩擦阻力极小的力学实验装置。它是利用气源将压缩空气注入导轨型空腔，再由导轨表面上的小孔喷出气流，在导轨与滑块之间形成很薄的空气膜（或称气垫），将滑块浮起，使滑块能在导轨上作近似无阻力的直线运动，极大地减少了以往在力学实验中由于摩擦而出现的较大误差，使实验现象更加真实、直观，易为学生接受。
利用气垫导轨可以观察和研究在近似无阻力的情况下物体的各种直线运动规律。它与各种型号的微电脑计时器及小型气源配套使用，可以测定滑行物体的速度、加速度，验证牛顿第二定律，验证完全弹性碰撞、完全非弹性碰撞条件下动量守恒定律，还可以进行简谐振动的研究等。
【实验目的】
1．学会使用气垫导轨和计时计数测速仪；
2．观察匀速直线运动，测量滑块的运动速度；
3．通过测量滑块的加速度，验证牛顿第二定律。
【实验原理】
1．速度的测量
一个在水平气轨上自由飘浮的滑块，它所受的合外力为零，因此，滑块在气轨上可以静止，或以一定速度作匀速直线运动。在滑块上装一窄的凹形挡光片，当滑块经过设在某位置上的光电门时，则挡光片将遮住照在光电元件上的光。因为挡光片的宽度是一定的，遮光时间的长短与物体通过光电门的速度成反比。测出挡光片的有效宽度
（如图Ⅱ-2-1所示）和遮光时间
，根据平均速度的公式，就可算出滑块通过光电门的平均速度，即
（Ⅱ-2-1）
图Ⅱ-2-1 挡光片示意图 |
式中
－滑块通过光电门的平均速度；－挡光片的有效宽度；－遮光时间。
由于比较小，在范围内滑块的速度变化也较小，故可以把
看成是滑块经过光电门的瞬时速度。同样还可看出，如果愈小（相应的挡光片也愈窄），则平均速度愈准确地反映在该位置上滑块运动的瞬时速度。
2．加速度的测量
图Ⅱ-2-2测气轨上滑块的加速度 |
若滑块在水平方向上受一恒力作用，则它将作匀加速运动。将系有重物（砝码盘、砝码）的细线经气轨一端的滑轮，与装有凹形挡光片的滑块相连，如图Ⅱ-2-2所示。在气轨中间选一段距离
，并在两端设置两个光电门，测出滑块通过两端的始末速度
和
，则滑块的加速度
（Ⅱ-2-2）
3．验证牛顿第二定律
气轨调平后，用一系有码盘的轻胶带跨过气垫轴承（或用细线跨过滑轮），如图Ⅱ-2-3所示。若滑块的质量为
，砝码盘与盘中砝码质量为
，胶带张力为T，则有
(Ⅱ-2-3)
(Ⅱ-2-4)
解得
令
则有
(Ⅱ-2-5)
图Ⅱ-2-3 验证牛顿第二定律装置图 |
加速度
的数值由公式（Ⅱ-2-2）求得。当作用力
加大时，滑块的加速度也增大，且有
常量
反之亦然。这表明，当物体质量一定时，物体运动的加速度与其所受的合外力成正比。如果物体所受合外力不变，则物体运动的加速度与其质量成反比。
【实验仪器】
L-QG-T-1500/5.8型气垫导轨、小型气源、MUJ -5C/5B计时计数测速仪、游标卡尺、电子天平、配重块、砝码盘、砝码等。
1．L-QG-T-1500/5.8型气垫导轨
该型气垫导轨是一套精密的实验仪器，结构如图Ⅱ-2-4所示，主要分为三部分：导轨、滑块、光电门。
图Ⅱ-2-4 气垫导轨示意图 1－挂钩 2－封闭口 3－导轨 4－滑轮 5－弹性碰撞器6－滑块7－挡光片 8－光电门9－喷气小孔10－标尺 11－进气嘴 12－底座 13－支脚螺丝 14－支点螺钉 |
（1）导轨 由三角形截口的中空铝合金型材制成，与底座通过双排螺钉相连固定。工作面长 1500.0mm，工作面两侧面夹角为90°，上面均匀分布着喷气小孔。导轨两端均装有挡片，其中一端封闭，并安有滑轮，另一端由进气嘴与气源相连，压缩空气进入管腔后，由表面喷气小孔喷出而托起滑块。底座下安有可调节导轨左右倾斜度的支脚螺丝和调节水平度的支点螺钉。
（2）滑块 由90°人字形角铝制成，长度分为120.0mm、 240.0mm两种。其下部两侧内表面为良好磨面，与导轨表面吻合。滑块上部顶端及两侧开槽，可安装挡光片（或挡光条）、配重块、弹性碰撞器、小钩等配件。
（3）光电门是一种光电转换装置。它主要由红外发光二极管和光敏三极管构成，由螺钉通过光敏座固定在光电门架上，并用四芯线与计时计数测速仪相连，当光电门光路变化时，产生脉冲电信号，触发计时计数电路开始或停止计时。光电门架下部装有指针，用于标示光电门在导轨上的位置。
2．MUJ-5C/5B计时计数测速仪
该仪器以单片微机为核心，由内部程序控制，具有计时1、计时2、加速度、碰撞、重力加速度、周期、计数、信号源等测量功能。
仪器前面板和后面板示意图分别如图Ⅱ-2-5、图Ⅱ-2-6所示。
下面介绍各开关、按键的作用：
（1）电源开关 在仪器后面板上，扳至“ON”接通电源。
（2）功能键 如按下功能键之前，光电门遮过光，则清“0”，功能复位。光电门没遮过光，按下功能键，仪器将选择新的功能。或按下功能键不放，可循环选择功能，至您所需的功能灯亮时，放开此键即可。本实验主要使用计时2功能。
图Ⅱ-2-5 计时计数测速仪（前面板） 1－LED显示屏 2－测量单位指示灯 3－数值转换键 4－功能转换指示灯 5－功能选择／复位键 6－取数键 7－电磁铁开关指示灯 8－电磁铁开关键 |
①计时1(S1)：测量对光电门的挡光时间，从光电门被遮挡开始计时，至挡光结束停止计时。可连续测量。
图Ⅱ-2-6 计时计数测速仪（后面板） 1－P1 光电门插口（兼电磁铁插口） 2－P2 光电门插口 3－信号源输出插口 4－电源开关 5－电源线 |
②计时2(S2)：测量对光电门两次挡光的间隔时间，从光电门第一次被遮挡开始计时，至第二次被遮挡停止计时。可连续测量。
（3）取数键 在计时1(S1)、计时2(S2)、周期(T)功能时，仪器可自动存入前20个测量值，按下取数键，可显示存入值。当显“E×”，提示下面将显示存入的第×值。在显示存入值过程中，按下功能键，会清除已存入的数值。
（4）转换键 在计时、加速度、碰撞功能时，按下转换键小于１s，测量值在时间或速度间转换。按下转换键大于１s可重新选择您所用的挡光片宽度 10.0mm、 30.0mm、 50.0mm、 100.0mm。
（5）电磁铁开关键 按动此键可改变电磁铁的吸合、放开。
【实验内容】
实验之前，将两个光电门装卡在导轨底座的梯形槽上，距离气轨两端约
30cm处，同时与计时仪的后面板
和
相连，接通计时仪电源。用一纸片遮挡光电元件，学习用计时仪测量遮光时间的方法。最后将气垫导轨调至水平，可以用两种方法把导轨调平。
①静态调平：接通气源，给气轨通气，把滑块放置于导轨上，纵向水平调节支脚螺丝，横向水平调节支点螺钉，直至滑块在实验段内保持不动，或稍有滑动，但不总是向一个方向滑动，即认为已基本调平。
②动态调平：使滑块从导轨一端向另一端运动，先后通过两个光电门，在计时仪上记下通过两个光电门所用的时间，调节支点螺钉使通过两个光电门的时间近似相等，当通过两个光电门时间在100～150ms时，只要经过后一个光电门时间比前一个不大于3ms，此时可视为导轨调平。
1．观察匀速直线运动——测量速度
（1）观察滑块在气轨上的运动，包括和气轨两端的缓冲弹簧的碰撞情况。
（2）轻轻推动滑块，分别记下滑块上的挡光片经过两个光电门时计时仪显示的时间
和
。量出挡光片的宽度，按式（Ⅱ-2-l）算出速度和，并填入表Ⅱ-2-l。试比较和的数值，如果和相差较大，则分析其原因。
（3）用比前次稍大的力推动滑块，重复步骤（2）。测算出滑块经过两个光电门时速度的差值，它比步骤2中测的是大些还是小些？
表Ⅱ-2-1 滑块在气轨上作匀速直线运动
= cm
次数 |
滑块向左运动 |
滑块向右运动 |
||||||||
(s) |
(s) |
(cm/s) |
(cm/s) |
(cm/s) |
(s) |
(s) |
(cm/s) |
(cm/s) |
(cm/s) |
|
1 |
||||||||||
2 |
||||||||||
/2．验证恒定质量的物体在恒力作用下作匀加速直线运动
（1）将系有砝码盘的轻胶带（或细线）通过气垫轴承（或定滑轮）与滑块相联，再把滑块移至远离轴承的一端，释放滑块后，可看到它从静止开始作加速运动。
（2）使光电门1和光电门2之间的距离是任意的，如分别为
40cm、
50cm、
60cm等。依次在表Ⅱ-2-2中记下滑块上的挡光片通过光电门1和光电门2的时间和及相应的两个光电门之间的距离s。
算出
、
与
的各次数值。如果得到的各次数值相同，那么就可以证明滑块在作匀加速直线运动。而就是匀加速直线运动的加速度。
表Ⅱ-2-2 验证恒定质量的物体在恒力作用下作匀加速运动
= cm 
g
次数 |
|
|
|
||||||||||||
(s) |
(s) |
(cm/s) |
(cm/s) |
(cm/s2) |
(s) |
(s) |
(cm/s2) |
(cm/s) |
(cm/s2) |
(s) |
(s) |
(cm/s) |
(cm/s) |
(cm/s2) |
|
1 |
|||||||||||||||
2 |
|||||||||||||||
=
40.00cm
=
50.00cm
=
60.00cm3． 验证牛顿第二定律——测量加速度
（l）把系有砝码盘的轻胶带（或细线）通过气垫轴承（或定滑轮）与滑块相连，再将滑块移至远离轴承的一端，松手后滑块便从静止开始作匀加速运动。分别记下滑块上的挡光片通过两个光电门的时间和，重复数次。测出挡光片的宽度和两个光电门的间距，由式（Ⅱ-2-1）与（Ⅱ-2-2）计算加速度的数值。
（2）分两次，从滑块上将两个砝码移至砝码盘中（每个砝码的质量取为 5.00 g），重复步骤1。将测量结果填入表Ⅱ-2-3，验证物体质量不变时，物体的加速度与所受外力成正比。
表Ⅱ-2-3 验证物体质量不变时，物体的加速度与所受外力成正比
= cm, = cm, g
次数 |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|||||||||||||||
2 |
|||||||||||||||
= g
/(cm/s2)
/(cm/s2)
/(cm/s2)（3）保持砝码盘与砝码的总质量（约为10.00 g）不变，改变滑块的质量，重复步骤1，算出质量不同的滑块的加速度。将测量结果填入表Ⅱ-2-4，验证当物体所受的外力不变时，其加速度与自身的质量成反比。
表Ⅱ-2-4 验证物体所受外力不变时，物体的加速度与质量成反比
= cm, = cm , 
g ,
g ,
g
次数 |
|
|
||||||||
(s) |
(s) |
(cm/s) |
(cm/s) |
(cm/s2) |
(s) |
(s) |
(cm/s) |
(cm/s) |
(cm/s2) |
|
1 |
||||||||||
2 |
||||||||||
= >g
= >g4．根据四个表格的数据分析得出结论。
【注意事项】
气垫导轨是一套精密的实验仪器，它的几何精度直接影响实验效果，在使用过程中，切忌剧烈震动撞击、重压以致变形，尤其是导轨和滑块的工作面不要让硬物碰伤。
1．导轨使用前用酒精擦拭干净，不要用手抚摸涂拭。导轨表面上喷气孔径很小，如果小孔被堵塞则影响实验效果，可用直径 0.6mm的钢丝通一下。
2．使用时要先通气，再把滑块放在导轨上，严禁在未通气前就将滑块放在导轨工作面上滑动，以免擦伤导轨表面。
3．使用完毕后，先取下滑块再关掉气源。
4．实验完毕将导轨擦净，罩上防尘罩，导轨工作面上不宜涂油，长期不用时应将两脚间用木块垫起，以防变形，严禁放在潮湿或有腐蚀性气体的地方，将导轨挂起存放最佳。
【思考题】
1．导轨水平是怎样调节的？
2．滑块的速度是怎样进行测量的？
3．式（Ⅱ-2-5）中的质量
是哪几个物体的质量？作用在质量上的作用力是什么力？
4．在验证物体质量不变、物体的加速度与外力成正比时，为什么把实验过程中用的砝码放在滑块上？
5．如果不用天平，而用气轨和计时仪来测定滑块的质量，试推导计算滑块质量的公式，并简要地说明测量步骤。
【课件演示】
【视频讲解】