目的

     利用光電閘研究物體在無摩擦斜面上的運動。

原理

     本實驗之基本原理相當容易。試考慮一質量為 m 的物體在一與水平面斜角
為q的無摩擦斜面上（如圖１）。

     此物體的運動由重力mg沿斜面方向的份量F決定，F的大小為：

                 　　　                      (1)

                                          　　　　(2)

其中 h、s 分別為斜面的高度與長度（見圖１）。

由牛頓第二運動定律

                 　　　　                             (3)

合併 (1) (3) 可得物體沿斜面之加速度a

                 。                         (4)

(2) 代入 (4) 可得

 。                        (5)

儀器

     氣墊軌道及滑行體、光電閘組、墊高用圓鐵塊、全對數紙、方格紙。 本實驗有二主要儀器：一是氣墊軌道，一是光電閘。氣墊軌道原理和氣墊船類似，物體與斜面用一層氣墊隔開以減少摩擦力。

光電閘基本上是由一個紅外光發射器 (Ｅ) 和一個紅外光偵側器 (Ｄ) 所構成（圖２a.），當一物體經過 Ｅ、Ｄ 之間，光路被物體遮斷，Ｄ 測不到 Ｅ 發出之訊號。圖２b. 即為一物行經 Ｅ-Ｄ 光路在 Ｄ 所測得之光訊號，在 t 時，物體前端擋住 Ｅ-Ｄ 光路；在  時，物體末端離開 Ｅ－Ｄ 光路，物體行經 Ｅ-Ｄ 之間的時間為 。 可由電子電路 Ｃ 讀出，此外 Ｃ 也可讀出物體經過不同光電閘所經之時間（實際光電閘之使用方法詳見附錄 1-1）。

方法

     實驗裝置如圖３，斜面是由一端墊鐵塊（高ｈ）的氣墊軌道擔任，光電閘Ⅰ和Ⅱ可測滑行體經過不同位置的時間和速度。

圖３ 氣墊軌道裝置圖

請注意，本實驗中滑行體之有效長度為其上所載遮光板的長度Dx，因為滑行體只有這部分經過光電閘之光路。遮光板經光電閘II之時間t2可測得，滑行體之瞬時速度可以 v=Dx/t2 來做近似。固定光電閘Ⅰ，並使物體由光電閘Ⅰ從靜止開始滑落，移動光電閘Ⅱ到不同位置，我們可測得x，v 對時間t  的函數，由此可求得加速度 a及重力加速度g。

步驟

1.  以送風管連接送風機和軌道，將滑行體置於軌道中央，打開送風機同時調整Ａ、Ｂ 旋鈕（如圖３所示）使中間的滑行體能靜止不動，如此即達水平校正。再以鐵塊墊高尾端即形成一無摩擦之斜面。

2. 將光電閘組裝置位置如圖４所示。光電計時器設定功能6。（參照實驗二附錄瞭解使用方法）

3.  將光電閘Ⅰ置於 圓鐵塊上坡位置，移動光電閘Ⅱ至距光電閘I15 cm 處，即 x = 15      cm，將滑行體的遮光板恰好座落在光電閘Ⅰ上坡處，使滑行體由Ⅰ處自靜止開始滑落，記錄下時間 t。

圖４ 光電閘組裝置圖

4.  按光電計時器按鈕〝1〞為遮光板Dx經過光電閘I的時間，按鈕〝2〞為測量滑行體上端遮光板Dx經過光電閘Ⅱ之時間t2，則平均速度為Dx/t2，來表示物體 Dx在該位置之瞬時速度。

5.  移動光電閘Ⅱ，改變 x，重覆步驟 3.、4.，測量另一組數據。請每隔 15 公分      測量一次，至 x=150 公分為止。

6.  將所得數據，製成x-t 及v-t的關係曲線，並由圖中分析出a值。從    g=a/sinq決定g值。

預習問題

1.  為什麼物體一定要從光電閘Ⅰ開始靜止滑落，如果不這樣做對實驗有否影響？

2.全對數座標紙對本實驗有無好處？半對數紙呢？

結果與分析

1.  記錄 　　　　　          公分；　　　　　　           。

2.  在全對數紙上畫出 x-t 及v-t圖並決定  及  關係式中之      未知數 ,a ,p 及 b 。

3.  由,a ,p 及b  決定加速度 a 之大小，並算出重力加速度 。

4.  決定你所測得 g 之誤差範圍。

思考問題

1.  理論上我們可以很容易得到當初速度 0 時，x 和 t之關係如下：

                 ，            即  。

假如實驗上測得 a 為 2.10.2，你認為這樣的結果合於理論嗎？假設我們可將實驗誤差減小許多，而得到 a  為 2.100000.00005，這時你認為理論還正確嗎？

2.  討論本實驗可能之誤差來源。