牛顿第二运动定律的常见表述是：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。该定律是由艾萨克·牛顿在年于《自然哲学的数学原理》一书中提出的。牛顿第二运动定律和第一、第三定律共同组成了牛顿运动定律，阐述了经典力学中基本的运动规律。
实验目的
.熟悉气垫导轨的构造，掌握正确的调整方法。
2.熟悉光电计时系统的工作原理，学会用光电计时系统测量短暂时间和运动物体的加速度。
3.学习在气垫导轨上测量物体的速度和加速度，验证牛顿第二定律。
实验仪器
气垫导轨、气源、存储式数字毫秒计、砝码片、砝码盘、滑块、细线
.气垫导轨：
图实验室气垫导轨
气垫导轨是一种现代化的力学实验仪器，它利用小型气泵将压缩空气送入导轨内腔，空气再由导轨表面上的小孔中喷出，在导轨表面与滑块内表面之间形成很薄的气垫层。滑块就浮在气垫层上，与轨面脱离接触，因而能在轨面上做近似无阻力的直线运动，极大地减小了以往在力学实验中由于摩擦力引起的误差。使实验结果接近理论值。结合打点计时器、光电门、闪光照相等，测定多种力学物理量和验证力学定律。
()构造
图2气垫导轨构造示意图
①导轨：采用特制的三角形合金型材，经淬火和阳极氧化处理。导轨一端封闭，另一端可以进气。导轨上的表面均匀的分布着小孔。
②滑块：采用特制的带有五条T型槽的铝合金型材制成，便于安装各种附件。实验时，将其放在已通气的导轨上面。
③光电门：计时装置的传感器，上面装有光敏元件。光电门装在气垫导轨侧面。利用光敏管有光照和无光照两种状态分别控制计时器“开始计时”和“停止计时”。
④支脚：采用三点结构，调整方便，主要供调节导轨水平时用。支点在导轨的全长2/9位置处，保证导轨重力变形小。
⑤标尺：固定在导轨的一侧。
（2）保养
①气垫导轨是一种精度较高的现代教学仪器。轨道面的直线度，粗糙度，滑块内角及表面的平面度都有较高要求，切忌振动、重压。严防碰伤和划伤。不允许在不通气的情况下将滑块在轨面上滑磨。
②实验前一定要检查气孔是否通畅，如有小孔被堵塞，滑块运动到该处就会受到影响，甚至会停住不动。如有小孔被堵塞，应该用细钢丝(直径小于0.5毫米)捅开。③滑块的运动速度不宜过低，否则当外界因素变化时(如室内气流量不稳、压力不均时，会影响滑块的运动)。
④导轨使用时应安放在结实、牢固的实验台上。如实验台单薄会影响导轨调水平。如欲使导轨成斜面、可在调平螺钉下面加定高垫块。
⑤导轨应放于清洁干燥的环境中，长期不用应用塑料套遮盖，防止灰尘。（3）调平
导轨在使用前应调节轨面成水平。因为轨面不水平会使滑块所受的重力产生与导轨长度方向平行的分力，由于滑块是“飘浮”在气垫上的，任何微小的分力都会给滑块以附加的加速度，因而增加实验的误差。气轨的调平可按下列两种方法之一进行。
①静态调平法
气垫导轨的调平螺钉一般是按等腰三角形的三个顶点分布的。先调节位于三角形底边两端的调平螺钉，使轨面在与长度垂直方向上达到目视水平。然后向导轨通气，将滑块轻放在轨面上，调节位于三角形顶点位置的螺钉，使滑块在将要进行实验的运动范围内停住不动或无明显移动（气流扰动下左右摆动），则可认为轨面已经调平。注意在即将调平时要以很小的角度旋转调平螺钉，以免调节过量。
②动态调平法
将两个光电门按实验需要拉开一段距离S安装在导轨上，把光电门线的四芯插头分别插入计时器面板上的四芯插座中，将两光电门和计时器连通。开启计时器电源，使计时器能正常工作：将计时方式置于“计时II(S2)”，用手在光电门处遮挡光俩次，计时器能计下遮光时间即为正常。在滑块上安装挡光片，接通气源，将滑块轻放在轨面上，使其运动起来。调整光电门的位置，使其能被挡光片凸起部分有效遮光，又不妨碍滑块运动。置计时器为“计时Ⅱ(S2)”计时方式。让滑块从导轨一端向另一端运动，挡光片依次通过两个光电门。计时器分别计下挡光片通过两个光电门的时间。调节处于三角形顶点位置的调平螺钉，使计时器计下的两次时间值基本相等；使滑块从另一端向相反方向运动，计时器的两次计时值也基本相等，即可认为轨面已调平。
（2）光电计时器
图3实验室提供的三种计时器
光电计时系统由光电门和数字毫秒计组成。导轨上装有两个光电门支架，其位置可由导轨侧面的标尺读出。光电门上的聚光灯泡发出的光，射向对面的光电二极管，当光被滑块上的遮光板遮挡时，亳秒计开始计时,反之就停止计时。这样，在气轨上运动的滑块经过光电门时，亳秒计就会显示出滑块上遮光板挡住光线的时间。若遮光板宽度为?x，毫秒计显示的时间为?T，如果滑块作匀加速运动，在气轨上选一段距离s，并在其两端各放置一个光电门,测出滑块经过每一个光电门的平均速度v=?x/?T,通过两光电门的时间为T就可以算出滑块的加速度a=(V2-V)/T。
具体光电计时器使用方法参照附录。
图4光电计时器计时原理
实验原理
根据牛顿第二定律，对于一定质量M的物体，其所受的合外力F和物体所获得的加速度a之间存在如下关系：
F=Ma
()
此实验就是测量在不同的F作用下，运动系统的加速度a，检验二者之间是否符合上述关系。
．速度的测量（气垫导轨动态调平）
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。
图5滑块上面的挡光片示意图
因挡光片的长度是一定的（实验室配备的挡光片宽度有，3，5，0cm），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Δx和遮光时间Δt，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
(2)
式中v为滑块通过光电门的平均速度；Δx即d(d3)+d2为挡光片的有效宽度；t或t2为遮光时间。由于的d(d3)+d2比较小，在此范围内滑块的速度变化也较小，故可以把平均速度看成是滑块经过光电门的瞬时速度。
2．加速度的测量
放置在通气水平导轨上的滑块，忽略滑块与导轨之间的摩檫力，若滑块在水平方向上受一恒力作用，则它将在水平方向上作匀加速运动。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，如图所示。
图6测气轨上滑块的加速度
在气轨中间选一段距离S，并在S两端设置两个光电门，测出滑块通过S两端的始末速度V和V2，则滑块的加速度
(3)
或者通过计时器读出滑块经过俩个光电门之间的时间?T。则：
(4)
3．验证牛顿第二定律
气轨调平后，用系有砝码盘的细线跨过滑轮（忽略滑轮的转动惯量对加速度的影响），若滑块的质量为m，砝码盘与盘中砝码的质量为m2，细线的张力为T，则有：
m2g-T=m2a
T=ma
m2g=(m+m2)a
(5)
令:M=m+m2
F=m2g=(m+m2)g
则有F=Ma
加速度a由公式可以求出，当F越大时，滑块的加速度也增大，且F/m=F2/m2=…=常量，反之亦然，这表明当物体的质量一定时，物体运动的加速度与其所受的合外力成正比。如果物体所受的合外力不变，则物体运动的加速度与其质量成反比。
实验内容
．验证恒定质量的物体在恒力的作用下作匀加速运动
()将系有砝码盘的细线通过滑轮与滑块连接，将滑块移至远离滑轮的一端。(线长约m，桌面高度约0.8m)；
(2)固定光电门的位置，光电门2与光电门之间的距离分别S，(S自己选择，看线够不够长，线不够长，自己讲台上取)。依次记下滑块经过光电门，2的加速度a及俩个光电门之间的距离。改变光电门的距离S2，S3，重复上诉步骤完善表格；
(3)电子秤称量滑块的质量(约为00~g)(砝码盘，砝码片均认为5g或者自己去称量)
图7测试系统搭建
注意事项：
①测量之前检查计时器能否正常工作。滑块经过俩光电门的时候，挡光片能够完全的遮挡光电门光源，计时器置于S或S2挡位时，挡光片经过光电门时有时间数据闪现。测量加速度时，计时器功能挡位选择a，测试之前仪器清零。
②充当合外力的砝码盘（m2）落地之前，要求滑块(m)必须经过两个光电门。
③细线在测试过程中除了与定滑轮接触，不要触碰到导轨上的弹簧和桌沿（导轨的一段伸出桌沿）。
2．验证物体质量不变，加速度与所受外力成正比
()固定两光电门，2位置，相距S（自己选择，S不要大于桌面高度，砝码盘落体时滑块必须经过光电门，2）。将系有砝码盘的细线通过滑轮与滑块连接，滑块上固定n(n=2)枚砝码片（砝码片压在挡光片的下面，运动过程中不脱落），将滑块移至远离滑轮的一端，静止释放，记录滑块通过两个光电门的加速度a
(2)将滑块上的一枚砝码片移到砝码盘中，将滑块移至远离滑轮的一端，静止释放，记录滑块通过两个光电门的加速度a2；
(3)再将滑块上的一枚砝码片都移到砝码盘中，将滑块移至远离滑轮的一端，静止释放，记录滑块通过两个光电门的加速度a3;
(4)完善表格2.
3．验证物体所受合外力不变，物体的加速度与质量成反比
()固定两光电门，2位置,相距S。将系有砝码盘的细线通过滑轮与滑块连接，保持充当合外力的砝码盘和砝码的总质量不变，改变滑块的质量（m2）。将滑块移至远离滑轮的一端，静止释放，记录滑块通过两个光电门的加速度a；
(2)将桌面上的一枚砝码片夹在滑块上，改变滑块的质量中，将滑块移至远离滑轮的一端，静止释放，记录滑块通过两个光电门的加速度a2；
(3)再将桌面上的一枚砝码片夹在滑块上，改变滑块的质量中，将滑块移至远离滑轮的一端，静止释放，记录滑块通过两个光电门的加速度a3；
(4)完善表格3
实验记录表格：
注意事项
计时器
挡光片宽度调节
a功能测量数据
备注
a功能显示6个实验数据，分别是：t:挡光框通过第一个光电门的时间（指实验的顺序，不是指一号光电门）；t2:挡光框通过第一个光电门至第二个光电门之间的间隔时间；t3:挡光框通过第二个光电门的时间；v:挡光框通过第一个光电门的速度；v2:挡光框通过第二个光电门的速度；a:挡光框从第一个光电门到第二个光电门之间的运动加速度。测试之前清零，挡光片经过俩个光电门之后无需按停止键，6个数据依次显示如果显示时间数据，按转换键转化成速度和加速度数据，如果直接显示速度数据，则无需再转换进入加速度测量菜单，调节?S
直接读出加速度
图8三种计时器的区别与使用方法
问题讨论
．使用气垫导轨时应注意什么问题？
气垫导轨是较精密仪器，实验中应避免导轨受到碰撞．摩擦而变形．损伤，没有给气垫导轨通气时，不准在导轨上强行推动滑块；滑块的内表面光洁度较高，要轻拿轻放，严防划伤和磕碰；不要将滑块放在水泥实验台上，更不允许将滑块掉在地上；滑块在导轨上运动的速度不能太大，以免冲出导轨跌落而损坏滑块；更换挡光片或调整挡光片在滑块上的位置时，必须把滑块从导轨上取下，待调整好后再放上去；实验结束后应将滑块从导轨上取下，以免导轨变形。
2．滑块在气垫导轨上运动时，速度越来越慢，这是为什么？
可能的原因：气垫导轨不水平；空气阻力的影响；气垫内部的粘滞阻力的影响。
3．如何鉴别气垫导轨已调成水平？
气垫导轨调成水平的方法：()静态调平法：首先用水平尺对气垫导轨的横向和纵向水平进行粗调，然后调节水平调节螺丝和支脚螺丝，直至滑块放在气垫导轨上静止或者左右扰动，但无方向性为止；(2)动态调平法：…
4．某同学的实验数据处理如下：
（）观察得到的拟合曲线方程式y=ax+b，说明常数b代表什么？
（2）常数是否有正负之分？有的话，说明正负代表什么?
5.实验过程中，理想加速度与实际加速度差异的来源有哪些（至少写五项）
附录：
I.三种计时器的使用方法
II.高中数学：最小二乘法与线性回归方程
自己去学习！！！
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