普通物理实验设计性实验方案

普通物理实验设计性实验方案

实验题目：用气垫导轨研究动量守恒定律 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师：

用气垫导轨研究动量守恒定律

序言

动量守恒定律和能量守恒定律一样，是自然界的一条普遍适用的规律。它不仅适用于宏观世界，同样也适用于微观世界。它虽然是一条力学定律，但却比牛顿运动定律适用范围更广，反映的问题更深刻。

由动量守恒定律知，如果一个系统所受的合外力为零，那么系统内部的物体在作相互碰撞，传递动量的时候，虽然各个物体的动量是变化的，但系统的总动量守恒。如果系统在某个方向上所受的合外力为零，则系统在该方向上的动量守恒。

动量守恒定律在生产技术和科学实验上毒都有着极其重要的作用。

一、实验原理 在一个力学系统中，如果系统所受合外力为零或在某方向上的合外力为零，则该力学系统的总动量守恒或在某方向上守恒。这就是动量守恒定律。本实验利用气垫导轨上两个滑块的碰撞来验证一维碰撞三种情况的动量守恒定律。 图1 气垫导轨上两个滑块的碰撞 如图1所示，在水平放置的气垫导轨上放两个滑块并让它们相互碰撞，两滑块之间除了碰撞时受到相互作用的内力之外，水平方向不受力的作用，因而碰撞前后的总动量保持不变。即 m2v2 m1v1m2v2m1v1式中：v1，v2和v1'，v2'分别表示质量为m1和m2的两个滑块碰撞前后的速度。 因为完全弹性碰撞是一个理想模型，即使在气垫导轨上也难以实现，碰撞过程中总有一定的能量损失。所以，只在非完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞的条件下进行实验。 1.非完全弹性碰撞 在两滑块的相碰端各装上一个弹性环，它们的碰撞过程可看作非完全弹性碰撞。 如果让m2的初速度为零，即v2＝０，则有 m2v2 m1v1m1v12.完全非弹性碰撞 在两滑块的相碰端上贴上尼龙搭扣或橡皮泥，这样两滑块碰撞后将粘在一起以同一速度运动，从而实现了完全非弹性碰撞。如果让m2的初速度为零，即v20，则有 m1v1(m1m2)v 式中ｖ为两滑块碰撞后连在一起运动的共同速度。 3.恢复系数 相互碰撞的两个物体，碰撞后的相对速度与碰撞前的相对速度之比称做恢复系数，用符号ｅ表示，即 通常可按恢复系数对碰撞进行分类：若ｅ＝０，即v2'＝v1'，就是完全非弹性碰撞；ｅ＝１，即v2'-v1'=v1-v2就是完全弹性碰撞；０＜ｅ＜１，是一般的非完全弹性碰撞。 如果让m2的初速度为零，即v2＝０，则 二、实验方法选择 方法1 纸带打点法 此方法中需通过先测量距离再计算速度，涉及多次数据处理，存在一定误差，而且实验过程中存在接触摩擦，对实验结果有较大影响。 方法2 倾斜槽小球碰撞 此方法中同样需要先测量距离再计算速度，同样存在小球与斜槽的接触摩擦，从而影响实验结果的准确性。 方法3 气垫导轨 该方法中的气垫导轨是利用从它表面的小孔喷出的压缩空气，使导轨表面与滑块之间形成一层很薄的“气垫”，将滑块浮起，滑块在导轨表面运动时，就不存在接触摩擦力，而只有很小的空气黏滞力和空气阻力，滑块的运动可近似看成是无摩擦的运动。 比较这三种方法，方法3更接近理想状态，没有方法1、2中存在的难以忽略的接触摩擦阻力以及多次计算引入的数据误差，更好地减小了实验误差，所得实验结果更准确。 三、测量方法的选择 用天平称量滑块的质量，用计时计数测速仪测量滑块的速度。 四、仪器的选择 气垫导轨，滑块（2块），计时计数测速仪，天平，尼龙搭扣。 采用气垫技术 ，使被测物体“漂浮”在气垫导轨上，没有接触摩擦，只有气垫的粘滞阻力，从而使阻力大大减小，实验测量值接近于理论值。使用该仪器，可以直观、定量而且精确地研究物体的许多运动定律。 计时计数测速仪与气垫导轨配合使用，使时间的测量精度大大提高（可以精确到0.01ms），并且可以直接显示出速度的大小。 使用天平称量滑块的质量，可使所得结果更准确，因为天平的最小分度值为0.05g，比一般杆秤的最小分度值为1g要小得多。 五、测量条件 实验前要对气垫导轨进行调节，使之处于水平状态。 1.静态调平法：接通气源，滑块置在导轨某处，用手轻轻地把滑块压在导轨上，再轻轻地放开，如滑块都向同一方向运动，表明导轨不平。仔细调节水平螺钉，直到滑块在导轨任意位置上基本保持静止不动，或稍有滑动，但不总是向同一个方向滑动即可。一般要在导轨上选取几个位置做这样调节。 2.动态调平法：将气垫导轨与计时计数测速仪配合进行调平，接通电源，计时计数测速仪功能选择在“S2”档，两个光电门的间距不小于30cm，在导轨两端备装上碰撞弹簧，滑块装上挡光片，给气轨通气，让滑块以一定的速度从气垫导轨的一号位向二号位运动,先后通过光电门G1和G2，计时器就分别计下了滑块通过两个光电门的时间△t1和△t2。若△t1＞△t2，即滑块通过G2的时间短，表明滑块运动速度加快，导轨一号位高，若△t1＜△t2，表明滑块做减速运动，导轨二号位高，细心调节水平调节螺钉，使△t1与△t2的时间差值尽量小，但由于受空气的粘滞阻力，很难做到△t1与△t2绝对相等。只要△t1比△t2稍微大些，可视为已基本调平了。 六、测量程序 1. 组装仪器，调节气垫导轨； 2. 用天平测量滑块的质量； 3. 用计时计数测速仪测量在气垫导轨上运动的滑块的速度； 4. 验证动量守恒定律。