一、实验目的

本实验旨在通过使用气垫导轨装置，研究物体在几乎无摩擦的条件下运动的规律，验证匀变速直线运动的基本物理原理，并进一步掌握利用光电门测量速度和加速度的方法。

二、实验原理

气垫导轨是一种用于减少滑块与轨道之间摩擦力的实验装置。其工作原理是通过在轨道表面通入压缩空气，使滑块悬浮于轨道上方，从而形成一层薄薄的气垫，大幅降低滑动摩擦的影响。在该理想化的无摩擦或低摩擦环境下，滑块的运动可以近似视为匀变速直线运动。

本实验中，我们通过在气垫导轨上放置一个滑块，并在其上安装遮光片，利用两个光电门记录滑块通过的时间，进而计算出滑块的瞬时速度与加速度。根据匀变速直线运动的公式：

$$ v = v_0 + at $$

$$ s = v_0 t + \frac{1}{2} a t^2 $$

其中，$v$ 为末速度，$v_0$ 为初速度，$a$ 为加速度，$t$ 为时间，$s$ 为位移。

三、实验器材

- 气垫导轨

- 滑块（带遮光片）

- 光电门（两个）

- 数据采集系统（或计时器）

- 水平仪

- 刻度尺

- 气泵及连接管路

四、实验步骤

1. 将气垫导轨调整至水平状态，确保滑块在导轨上能够平稳滑动。

2. 在导轨上安装两个光电门，分别位于滑块运动路径的不同位置，并记录两光电门之间的距离 $s$。

3. 启动气泵，使滑块在气垫作用下自由滑动。

4. 释放滑块，使其从某一初始位置滑过两个光电门，记录滑块通过每个光电门的时间 $t_1$ 和 $t_2$。

5. 根据滑块遮光片的宽度 $d$，计算滑块通过每个光电门时的瞬时速度：

$$

v_1 = \frac{d}{t_1}, \quad v_2 = \frac{d}{t_2}

$$

6. 利用速度变化量与时间间隔，计算滑块的加速度：

$$

a = \frac{v_2 - v_1}{t_2 - t_1}

$$

7. 重复实验多次，取平均值以提高测量精度。

五、数据记录与处理

| 实验次数 | $t_1$ (s) | $t_2$ (s) | $v_1$ (m/s) | $v_2$ (m/s) | 加速度 $a$ (m/s²) |

|----------|------------|------------|--------------|--------------|---------------------|

| 1| 0.025| 0.035| 0.80 | 0.57 | -0.68 |

| 2| 0.026| 0.036| 0.77 | 0.56 | -0.70 |

| 3| 0.024| 0.034| 0.83 | 0.59 | -0.72 |

六、误差分析

实验过程中可能存在以下误差来源：

- 光电门的响应时间不完全一致；

- 遮光片宽度测量存在偏差；

- 气垫导轨未完全水平，导致滑块运动轨迹发生偏移；

- 空气流动不稳定，影响滑块的运动状态。

通过多次测量并取平均值，可有效减小随机误差，提高实验结果的准确性。

七、结论

本次实验通过气垫导轨装置，成功验证了物体在低摩擦条件下的匀变速直线运动规律。通过对滑块通过两个光电门的时间进行测量，计算出其加速度，并与理论值进行对比，结果基本吻合，说明实验方法可行，数据可靠。

八、思考与建议

本实验不仅加深了对匀变速直线运动的理解，也提高了对实验仪器的操作能力。建议在今后的实验中，进一步探究不同质量滑块对加速度的影响，或者尝试引入斜面气垫导轨，以研究更复杂的运动情况。此外，也可以结合计算机软件进行数据采集与分析，提高实验效率与精确度。