實驗三碰撞實驗(教案)

1、實驗三碰撞實驗 目的1. 驗證動量守恒定律；2. 了解非完全彈性碰撞與完全非彈性碰撞的特點。 儀器和用具 1.氣墊導軌全套（L-QG-T-2000/5.8 型）（導軌，氣源，大滑塊，小滑塊，尼龍粘膠帶，碰撞彈簧）；2. 電腦計時器（ MUJ-6B 型）；3. 物理天平 (TW-1B 型 )；力學實驗常需要一種能直觀地、并且能較精確地驗證各個力學規(guī)律的實驗裝置。在過去的教學中，被考察的物體在運動過程中必然會受到摩擦力，這一不利因素給直接驗證某些重要的力學規(guī)律帶來了一定的困難，它使我們對現(xiàn)象只能做較粗略的觀察。氣墊導軌的實驗裝置的特點是使摩擦力大大減少，它將被考察的物體（滑塊）置于氣墊上滑動，基本

2、上可以忽略摩擦力對運動的影響，從而可直觀地、定量地對一系列的物體運動規(guī)律進行實驗、研究。氣軌簡介：氣軌是一種摩擦很小的運動實驗裝置。氣墊導軌與光電計時系統(tǒng)，包括導軌，滑塊及擋光片，氣源，光電門，計時器，墊塊等組成。它利用從導軌表面小孔噴出的壓縮空氣，在導軌和滑塊之間形成一層很薄的“氣墊”，被考察的物體 滑塊就漂浮在氣墊上。運動過程中滑塊僅僅受到很小的空氣粘滯性摩擦阻力的作用，它的運動可近似地認為是無摩擦的運動。1、導軌：是由長約2.0 米的三角形鋁型材做成。2M 長精密氣軌面上均勻分布著386 個直徑為 0.6mm 的氣孔，不能阻塞，若有塞孔，可用通針通下。來自氣源的壓縮空氣從導軌一端被送入管

3、腔，由小孔噴出，在軌面與軌上滑塊之間形成很薄的空氣膜（即所謂氣墊），將滑塊從導軌面上托起，從而把滑塊與導軌之間接觸的滑動摩擦變成為空氣層之間的氣體內(nèi)摩擦，極大地減小了摩擦力的影響。導軌兩端還裝有緩沖彈簧、滑輪。整個導軌安置在矩形梁上，梁下有三個用來調(diào)水平的底腳螺絲。2、滑塊：為長約20 厘米的角形鋁塊。其內(nèi)表面和導軌的兩個側(cè)面精密吻合?；瑝K兩端裝有緩沖器，其上面可安置擋光片或附加重物。3、擋光片：使用d 小的擋光片可以使測出的平均速度接近瞬時速度，即減小系統(tǒng)誤差。但是 d 小時，相應的t 也將變小，這時t 的相應誤差將變大，所以測量速度時，不宜用d 很小的擋光片。使用氣軌注意事項：（ 1） 氣

4、軌軌面和滑塊內(nèi)表面不允許用硬物敲打和撞擊，如被碰傷或變形則可能出現(xiàn)接觸摩擦使阻力顯著增大；（ 2） 嚴禁在不通氣源的情況下將滑塊在導軌上來回滑動，否則兩者的表面會因干磨擦而損傷。（ 3） 滑塊嚴禁掉在桌面或地面上。（ 4） 實驗前要用紗布或軟毛巾蘸少些酒精，擦抹導軌表面和滑塊內(nèi)表面。（ 5） 檢查軌面噴氣孔是否堵塞：氣軌供氣后，用薄的小紙條逐一檢查氣孔，發(fā)現(xiàn)堵塞要用細鋼絲通一下。（ 6） 實驗后取下滑塊另外放置，用布罩好導軌。 原理當兩滑塊在水平的導軌上沿直線作對心碰撞時，若略去滑塊運動過程中受到的粘滯性阻力和空氣阻力，則兩滑塊在水平方向除受到碰撞時彼此相互作用的內(nèi)力外，不受其它外力作用。故根

5、據(jù)動量守恒定律，兩滑塊的總動量在碰撞前后保持不變。設(shè)如圖 12-1 所示，滑塊1 和 2 的質(zhì)量分別為m1 和 m2 ，碰撞前二滑塊的速度分別為v10 和 v20 ，碰撞后的速度分別為v1 和 v2 ，則根據(jù)動量守恒定律有：m1 v10m2 v20m1v1m2 v2(12-1)若寫成標量形式為：m1 v10m2 v20m1v1m2 v2(12-2)v10Av200B12Av1Bv212圖 12-1式中各速度均為代數(shù)值，各v 值的正負號決定于速度的方向與所選取的坐標軸方向是否一致，這一點要特別注意。牛頓曾提出“彈性恢復系數(shù)”的概念，其定義為碰撞后的相對速度與碰撞前的相對速度的比值。一般稱為恢復系

6、數(shù)，用 e 表示，即：v2v1(12-3)ev20v10當 e 1時為完全彈性碰撞， e 0為完全非彈性碰撞，一般0 e1 為非完全彈性碰撞。氣軌滑塊上的碰撞彈簧是鋼制的，e 值在 0.95 0.98 ，它雖然接近1，但是其差異也是明顯的，因此在氣軌上不能實現(xiàn)完全彈性碰撞。1非完全彈性碰撞取大小兩個滑塊 (m1m2 ) ，將滑塊 2 置于 A 、 B 光電門之間，使 v200 。推動滑塊 1 以速度 v10 去撞滑塊 2，碰撞后速度分別為v1 和 v2 ，則：m1v10m1v1m2 v2(12-4)碰撞前后的動能的變化為：Ek1 (m1 v12m2 v22 )1 m1v102(12-5)22實

7、際實驗時，由于滑塊運動受到一定的阻力，又由于導軌會有少許的彎曲，在A 門測出的速度 v1A ，在 B 門測出的速度v1B 和 v2 B ，都和碰撞前后瞬間相應的速度有些差異，減少差異的辦法之一，是盡可能縮短碰撞點到測速光電門間的距離。辦法之二是進行速度修正，因為滑塊在“調(diào)平”氣軌上運動時仍然有加速度，可參照圖12-2 測出三個加速度，對相應的速度進行修正，圖中滑塊位置為相碰前瞬間的位置，CD 為此時二滑塊擋光片中點的位置，AB 為實驗時光電門的正常位置。ACDBa10a1a212圖 12-2(1) AC 間 距 離 為 s10 , 將 B 門 移 至 C , 測 出 滑 塊 1 在 AC 間

8、的 加 速 度 a10 , 則v10v12A2a10 s10 ( v1 A 是滑塊 1 通過 A 門的速度 ).(2) CB 間 距 離 為 s1 , 將 光 電 門 置 于 C 、 B 處 , 測 出 滑 塊 1 在 CB 間 的 加 速 度 a1 , 則v1v12B2a1s1 ( v1B 是滑塊 1通過 B 門的速度 ).(3)DB 間 距 離 為 s21 , 將 光 電 門 置 于 DB 處 , 測 出 滑 塊2 在 DB 間 的 加 速 度 a2 , 則v2v22B2a2 s2 ( v2B 是滑塊2 通過 B 門的速度 ).2. 完全非彈性碰撞此時 e0 , 將滑塊 2 置于光電門AB

9、 間，而且 v200 ，滑塊 1 以速度 v10 去撞滑塊2，碰撞后兩滑塊粘在一起以同一速度v2 運動。為了實現(xiàn)此類碰撞，要在二滑塊的碰撞彈簧上加上尼龍膠帶。碰撞前后的動量關(guān)系為：m1 v10(m1 m2 )v2(12-6)動能變化為：Ek1 (m1m2 )v22 1 m1 v102(12-7)22實際實驗時，由于滑塊運動受到一定的阻力，又由于導軌會有少許的彎曲，在A 門測出的速度 v1A ，在 B 門測出的速度v1B 和 v2 B ，都和碰撞前后瞬間相應的速度有些差異，減少差異的辦法之一，是盡可能縮短碰撞點到測速光電門間的距離。辦法之二是進行速度修正?？蓞⒄請D12-3 測出兩個加速度，對相應

10、的速度進行修正，圖中滑塊位置為相碰前瞬間的位置，CD 為此時二滑塊擋光片中點的位置，AB 為實驗時光電門的正常位置。Aa10Ea3B1 2圖 12-3(1) AE 間 距 離 為 s10 , 將 B 門 移 至 E , 測 出 滑 塊 1 在 AC 間 的 加 速 度 a10 , 則v10v12A2a10 s10 ( v1 A 是滑塊 1 通過 A 門的速度 ).(2) EB 間 距 離 為 s2 , 將 光 電 門 置 于 E 、 B 處 , 測 出 滑 塊 1 、 2 在 EB 間 的 加 速 度 a3 , 則v1v2v12B2a3s2 ( v1B 是滑塊 1、 2 通過 B 門的速度 )

11、.或 v1v2v22B2a3s2 ( v2 B 是滑塊 1、 2 通過 B 門的速度 ). 實驗內(nèi)容、步驟 一 . 接上氣源及電腦計時器電源線，打開電源開關(guān)。二 . 用紗布沾少許酒精擦拭軌面（在供氣時）和滑塊表面，用薄紙片小條檢查氣孔有否堵塞。三 . 檢查計時系統(tǒng)（ 1）選擇計時 S2 功能并調(diào)到cm/s 檔；調(diào)節(jié)光電門的螺絲，便光電門與導軌垂直；來回滑動滑塊，看是否能順暢通過兩個光電門；（ 2） 用 U 型擋光片遮光，觀察顯示計數(shù)是否正常；四調(diào)平氣軌，檢查滑塊碰撞彈簧，保證對心碰撞（ 1） 調(diào)平氣軌： 電腦計時器調(diào)到速度檔 cm/s ，在大滑塊上裝好擋光片， 輕撥滑塊使其在導軌上以50 70

12、cm/s 左右的速度運動。反復觀察滑塊以該速度來回（A B和B A ）通過兩個光電門的速度差 （vAB 和vBA ）是否基本相等 （或不超過0.2cm/s 就算調(diào)平了） 。比較vAB和vBA ，若v AB >vBA 說明B 點較高，應作相應的調(diào)整。（ 2） 檢查滑塊碰撞彈簧，保證兩滑塊的碰撞彈簧在同一水平線上。五非完全彈性碰撞適當安置光電門A 、 B 的位置（AB30cm ），使能順序測出三個速度v1 A （滑塊 1 通過 A 門的速度）、v2 B（滑塊 2 在 B 門的速度）、 v1 B（滑塊 1 在 B 門的速度） 并在可能的條件下，使 A 、B 的距離小些每次碰撞時，要使v200

13、，速度 v1060cm / s左右，碰撞次數(shù)10 次完成表格12 1。六完全非彈性碰撞在二滑塊的相對的碰撞面上加上尼龍膠帶( 碰撞彈簧要移開) ，進行碰撞，仍然使v200 ，速度 v1060cm / s 左右，碰撞次數(shù) 10 次，測出碰前 v1 A（滑塊 1 通過 A 門的速度）、碰后速度 v2 B（滑塊 1、2 在 B 門的速度）、完成表格12 2。七用物理天平稱出兩個滑塊的質(zhì)量m1 、 m2 。八計算結(jié)果及分析1） 兩類碰撞，碰撞前后動量的比CP末P初 ；2） 兩類碰撞，碰撞前后動能的變化Ek ；3） 非完全彈性碰撞時的恢復系數(shù)e ；4） 對實驗結(jié)果作分析和評價 數(shù)據(jù)記錄與處理 1數(shù)據(jù)表格表格 12 1（非完全彈性碰撞）小滑塊質(zhì)量 m，大滑塊質(zhì)量M速度測量計算值v1A(cm/ s) v2B(cm/s) v1B(cm/s)CEk( 107 J)e12345678910表格 12 2（完全非彈性碰撞）aa30速度測量計算值v1A (cm/ s) v1B (cm/ s) v2B (cm/ s)CEk ( 10 7 J)e123456789102. 數(shù)據(jù)處理結(jié)果報道 （ 1）兩類碰撞，碰撞前后動量的比C 及其標準偏差：C（ 2）非完全彈性碰撞時的恢復系數(shù)e 其標準偏差： e（ 3）根據(jù) C值能否驗證動量守恒