大學(xué)物理實驗《用氣墊導(dǎo)軌驗證動量守恒定律》

1、1212 實驗八用氣墊導(dǎo)軌驗證動量守恒定律實驗?zāi)康?觀察彈性碰撞和完全非彈性碰撞現(xiàn)象。2驗證碰撞過程中動量守恒和機械能守恒定律。實驗儀器氣墊導(dǎo)軌全套，MUJ-5C/5B計時計數(shù)測速儀，物理天平。實驗原理設(shè)兩滑塊的質(zhì)量分別為m1和m2,碰撞前的速度為v和v，相碰后的速度為v和v。12102012根據(jù)動量守恒定律，有mv+mv=mv+mv（1）1102201122測出兩滑塊的質(zhì)量和碰撞前后的速度，就可驗證碰撞過程中動量是否守恒。其中v和v是1020在兩個光電門處的瞬時速度，即Ax/At，At越小此瞬時速度越準(zhǔn)確。在實驗里我們以擋光片的寬度為Ax，擋光片通過光電門的時間為At,即有v=Ax/At,v

2、=Ax/At。101202實驗分兩種情況進(jìn)行：1彈性碰撞兩滑塊的相碰端裝有緩沖彈簧，它們的碰撞可以看成是彈性碰撞。在碰撞過程中除了動量守恒外，它們的動能完全沒有損失，也遵守機械能守恒定律，有1mv221101+mv2222011mv2+-mv22）（1）若兩個滑塊質(zhì)量相等，m1=m2=m，且令m2碰撞前靜止，即v2。=0。則由（1）、（2）得到v=v210v=0，1即兩個滑塊將彼此交換速度。2）若兩個滑塊質(zhì)量不相等，mi豐m2，仍令v20=0,則有mv=mv+mv11011221mv2211011mv2+mv2可得mmv=i2v1m+m102mv=iv2m+m10當(dāng)m1m2時，兩滑塊相碰后，二

3、者沿相同的速度方向（與vio相同）運動；當(dāng)m1m2 時，二者相碰后運動的速度方向相反，m1將反向，速度應(yīng)為負(fù)值。2完全非彈性碰撞將兩滑塊上的緩沖彈簧取去。在滑塊的相碰端裝上尼龍扣。相碰后尼龍扣將兩滑塊扣在一起，具有同一運動速度，即v=v=v仍令v=01220則有mv=(m+m)v11012所以mv=1vm+m1012當(dāng)m2=m,時，v=v。即兩滑塊扣在一起后，質(zhì)量增加一倍，速度為原來的一半。21210實驗內(nèi)容1安裝好光電門，光電門指針之間的距離約為50cm。導(dǎo)軌通氣后，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平，使滑塊作勻速直線運動。計數(shù)器處于正常工作狀態(tài)，設(shè)定擋光片寬度為1.0厘米，功能設(shè)定在“碰撞”位置。調(diào)節(jié)天平，稱出

4、兩滑塊的質(zhì)量m1和m2。2完全非彈性碰撞(1)在兩滑塊的相碰端安置有尼龍扣，碰撞后兩滑塊粘在一起運動，因動量守恒，即mv=(m+m)v11012在碰撞前，將一個滑塊(例如質(zhì)量為m2)放在兩光電門中間，使它靜止(v=0)，220將另一個滑塊(例如質(zhì)量為m1)放在導(dǎo)軌的一端，輕輕將它推向m2滑塊，記錄v10。兩滑塊相碰后，它們粘在一起以速度v向前運動，記錄擋光片通過光電門的速度v。按上述步驟重復(fù)數(shù)次，計算碰撞前后的動量，驗證是否守恒?？煽疾飚?dāng)m1=m2的情況，重復(fù)進(jìn)行。3.彈性碰撞在兩滑塊的相碰端有緩沖彈簧，當(dāng)滑塊相碰時，由于緩沖彈簧發(fā)生彈性形變后恢復(fù)原狀，在碰撞前后，系統(tǒng)的機械能近似保持不變。仍

5、設(shè)v=0，則有20mv=mv+mv1101122參照“完全非彈性碰撞”的操作方法。重復(fù)數(shù)次，數(shù)據(jù)記錄于表中。數(shù)據(jù)記錄1、完全非彈性碰撞數(shù)據(jù)表相同質(zhì)量滑塊碰撞：mi-m-m-g，vi二v2二v，v20二0次數(shù)碰前碰后百分偏差kkE-x100%k0v(cm/s)10k=mv0110(gcm/s)v(cm/s)k-(m+m)v12(gcm/s)123不同質(zhì)量滑塊碰撞：mi-g，m=g，v20二0次數(shù)碰前碰后百分偏差kkE-x100%k0v(cm/s)10k=mv0110(gcm/s)v(cm/s)k-(m+m)v12(gcm/s)i232、彈性碰撞數(shù)據(jù)表不同質(zhì)量滑塊碰撞：m1-g，m2-g，v20-

6、0次數(shù)碰前碰后百分偏差k(k+k)E12k0v10cm/sk-mv0110gcm/sv1cm/sk-mv111gcm/sv2cm/sk-mv222gcm/s123相同質(zhì)量滑塊碰撞：m1-m2-m-g，v20-0，v1-0次數(shù)碰前碰后百分偏差kkE-0 x100%k0v10cm/sk-mv0110(gcm/s)v2cm/sk-mv22(gcm/s)123思考題為了驗證動量守恒，在本實驗操作上如何來保證實驗條件，減小測量誤差。為了使滑塊在氣墊導(dǎo)軌上勻速運動，是否應(yīng)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌完全水平？應(yīng)怎樣調(diào)節(jié)才能使滑塊受到的合外力近似等于零？附錄儀器結(jié)構(gòu)和使用方法。（一）氣墊導(dǎo)軌氣墊導(dǎo)軌是一種力學(xué)實驗儀器,它是利用

7、從氣軌表面小孔噴出的壓縮空氣使安放在導(dǎo)軌上的滑塊與導(dǎo)軌之間形成很薄的空氣層（這就是所謂的“氣墊”，促使滑塊從導(dǎo)軌面上浮起,從而避免了滑塊與導(dǎo)軌面之間的接觸磨擦，僅有微小的空氣層粘滯阻力和周圍空氣的阻力。這樣，滑塊的運動可近似看成是“無磨擦”運動。1.氣軌結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要有導(dǎo)軌、滑塊和光電門三部份組成。圖1氣軌結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌：由長1.5m的一根非常平直的直角三角形鋁合金管做成，兩側(cè)軌面上均勻分布著兩排很小的氣孔，導(dǎo)軌的一端封閉，另一端裝有進(jìn)氣嘴，當(dāng)壓縮空氣經(jīng)軟管從進(jìn)氣嘴進(jìn)入導(dǎo)軌后，就從小孔噴出而托起滑塊?；瑝K被托起的高度一般只在0.010.1mm左右。為了避免碰傷，導(dǎo)軌兩端及滑塊上都裝了緩沖彈簧

8、。導(dǎo)軌的一端還裝有氣墊“滑輪”，它不轉(zhuǎn)動，只是一個鉆有小孔的空心圓柱（或彎管），當(dāng)壓縮空氣從小孔噴出時，可以使繞過它的輕薄尼龍懸浮起來，因此可當(dāng)成沒有轉(zhuǎn)動也沒有磨擦的“滑輪”。整個導(dǎo)軌裝在橫梁上，橫梁下面有三個底腳螺釘，既作為支承點，也用以調(diào)整氣軌的水平狀態(tài)，還可在螺釘下加放墊塊，使氣軌成為斜面。滑塊：由角鋁做成，是導(dǎo)軌上的運動物體，其兩側(cè)內(nèi)表面與導(dǎo)軌表面精密吻合。兩端裝有緩沖彈簧或尼龍搭扣，上面安置測時用的矩形（或窄條形）擋光片。光電門：導(dǎo)軌上設(shè)置兩個光電門，光電門上裝有光源（聚光小燈泡或紅外發(fā)光管）和光敏管，光敏管的二極通過導(dǎo)線和計時器的光控輸入端相接。當(dāng)滑塊上的擋光片經(jīng)過光電門時，光敏管

9、受到的光照發(fā)生變化，引起光敏兩極間電壓發(fā)生變化，由此產(chǎn)生電脈沖信號觸發(fā)計時系統(tǒng)開始或停止計時。光電門可根據(jù)實驗需要安置在導(dǎo)軌的適當(dāng)位置，并由定位窗口讀出它的位置。2、注意事項氣軌表面的平直度、光潔度要求很高，為了確保儀器精度，決不允許其它東西碰、劃傷導(dǎo)軌表面，要防止碰倒光電門損壞軌面。未通氣時，不允許將滑塊在導(dǎo)軌上來回滑動。實驗結(jié)束后應(yīng)將滑塊從導(dǎo)軌上取下。滑塊的內(nèi)表面經(jīng)過仔細(xì)加工，并與軌面緊密配合，兩者是配套使用的，因此絕對不可將滑塊與別的組調(diào)換。實驗中必須輕拿輕放，嚴(yán)防碰傷變形。拿滑塊時，不要拿在擋光片上，以防滑塊掉落摔壞。氣軌表面或滑塊內(nèi)表面必須保持清潔，如有污物，可用紗布沾少許酒精擦凈。

10、如軌面小氣孔堵塞，可用直徑小于0.6mm的細(xì)鋼絲鉆通。實驗結(jié)束后，應(yīng)該用蓋布將氣軌遮好。（二）氣墊導(dǎo)軌的水平調(diào)節(jié)在氣墊導(dǎo)軌上進(jìn)行實驗，必須按要求先將導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平。可按下列任一種方法調(diào)平導(dǎo)軌。（1）靜態(tài)調(diào)節(jié)法：接通氣源，使導(dǎo)軌通氣良好，然后把裝有擋光片的滑塊輕輕置于導(dǎo)軌上。觀察滑塊“自由”運動情況。若導(dǎo)軌不水平，滑塊將向較低的一邊滑動。調(diào)節(jié)導(dǎo)軌一端的單腳螺釘，使滑塊在導(dǎo)軌上保持不動或稍微左右擺動而無定向移動，則可認(rèn)為導(dǎo)軌已調(diào)平。（2）動態(tài)調(diào)節(jié)法:將兩光電門分別安在導(dǎo)軌某兩點處，兩點之間相距約50cm（以指針為準(zhǔn)）。打開光電計數(shù)器的電源開關(guān)，導(dǎo)軌通氣后滑塊以某一速度滑行。設(shè)滑塊經(jīng)過兩光電門的時間分

11、別為事1和412。由于空氣阻力的影響，對于處于水平的導(dǎo)軌，滑塊經(jīng)過第一個光電門的時間總是略小于經(jīng)過第二個光電門的時間事2（即卜2）。因此，若滑塊反復(fù)在導(dǎo)軌上運動，只要先后經(jīng)過兩個光電門的時間相差很小，且后者略為增加（兩者相差2%以內(nèi)），就可認(rèn)為導(dǎo)軌已調(diào)水平。否則根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)導(dǎo)軌下面的單腳螺釘，反復(fù)觀察，直到計算左右來回運動對應(yīng)的時間差（鈍一）大體相同即可。（三）測定速度的實驗原理x物體作直線運動時，平均速度為v飛，時間間隔也或位移山越小時，平均速度越接近某點的實際速度，取極限就得到某點的瞬時速度。在實驗中直接用定義式來測量某點的瞬時速度是不可能的，因為當(dāng)At趨向零時Ax也同時趨向零，在測量上有具體困難。但是在一定誤差范圍內(nèi)，我們?nèi)钥扇∫缓苄〉腁t及其相應(yīng)的Ax，用其平均速度來近似地代替瞬時速度。圖2擋光片被研究的物體