气垫导轨在力学探究实验中的两个妙用

在力学的探究实验中，经常会碰到与摩擦力有关的问题。与摩擦力有关的实验，可以用气垫导轨来解决，实验结果更精确。

气垫导轨是利用气源将空气打入导轨内空腔，再由导轨表面上的小孔喷出气流，在导轨与滑行器之间会形成很薄的气膜，将滑行器浮起，使滑行器与导轨之间的摩擦力减少到可以忽略的程度。再忽略空气阻力，滑行器就可看作是没有受阻力的物体，大大减少由于摩擦力而误差，实验结果接近理论值。

妙用一 用气垫导轨来探究加速度与力、质量关系

课本中用两小车在光滑水平木板上的运动，通过两小车的位移之比来确定加速度之比。这个实验误差在与：两小车所受摩擦力不可能完全相同，在两小车质量不同时误差更大。

改用气垫导轨完成此实验，可以减少误差。实验步骤如下：

（1）调节气垫导轨呈水平状态，保持滑行块（即小车）的质量不变，改变对滑行块的拉力，即改变与滑行块相连的吊桶的质量。本实验每次在桶里加10g砝码，用电脑数字计时器记录滑行块经过两光电门的时间，计算它的加速度。画出a-f图像，探究加速度与力的关系。从图1中可知a与f成正比。

（2）调节气垫导轨呈水平状态，保持滑行块（小车）的拉力不变，改变滑行块的质量，本实验每次在滑行块上加50g的配重块，用电脑数字计时器记录滑行块经过两光电门的时间（表2），计算它的加速度，画出加速度与质量倒数关系图如图2所示，探究加速度与质量倒数的关系。从图2中可知a与m成反比。

妙用二 用气垫导轨来探究功与速度变化关系

在《物理》新教材探究功与物体速度变化的关系的实验中，是采用小车在橡皮筋作用下在木板上滑行，用打点计时器测出小车获得的速度，作出W-v曲线来进行定量关系分析。这个实验的要点是调节木板的倾斜度，使小车重力沿木板斜面上的分力与小车所受的摩擦力平衡，这样小车只有橡皮筋的弹力做功来探究实验。但在实验操作过程中发现平衡摩擦力不是很容易做到的事，并且木板上每处的摩擦因数不可能完全相同，这都会给实验增加了误差。现用气垫导轨来探究功与速度变化关系。

（1）实验装置：气垫导轨放在水平面上，在滑行器与气垫导轨一端绑上细线，细线上打一小结，以便用回形针把它们钩住，拆开回形针（留一个钩）一端捆在橡皮筋上，另一钩钩住滑行器，橡皮筋另一端用回形针与气垫导轨端部相连。所用的橡皮筋要求长度相等，粗细均匀。在橡皮筋的自由长度附近装两个光电门，用数字计数器记录时间。

（2）原理分析：调节气垫导轨呈水平状态，此时滑行器受到重力，支持力与橡皮筋的弹力作用，气垫导轨呈水平状态时重力沿水平方向无分力，重力与支持力平衡，滑行器只受橡皮筋的弹力作用，打开气源，滑行器在轨道上的运动情况是：加速度在减小的加速运动，当橡皮筋恢复原长，弹力消失，滑行器做匀速运动，此时速度最大，这也是我们要测的速度。当在自由长度附近处的两光电门所记录时间一样时，所测得速度最准确。由于橡皮筋的弹力是变力，所作的功是变力功，不能用公式计算功的大小，但我们可用相同的橡皮筋不同根数并联来测定功与速度关系，

每次滑行器起启位置相同，记录下不同根数时挡光片经过光电门的时间（表3），计算所得速度。

（3）数据记录与Excel数据处理

（4）结果分析：从W-v图（图3），W-v2图（图4），W-v3图中（图5），我们不难发现，W-v与W-v3呈非线性关系，W-v2呈线性关系，所以W与v2成正比，即W∝v2。

在上面两实验中，采用气垫导轨与Excel数据处理相结合的方法。随着信息技术的发展，中学物理的实验手段在不断进步，运用“传感器”把物体在导轨上运动的位移、时间、速度转换成电信号，经过计算机的运算，还可以立刻在光屏上显示出运动状态，自动绘制图象。（编者注：读者可参阅本刊2006年度发表的介绍DIS实验技术的系列文章，可在2006年12期（上半月）61-62页本刊2006年度文章总目录中查询。）

气垫导轨在力学实验中有更多的用途，如验证动能定律，验证动量守恒定律等，极大地减少在力学实验中由于摩擦力而出现的较大误差，使实验结果接近理论值，实验现象更加真实、直观，易为学生接受。