大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)《用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律》[驕陽(yáng)教育]

1、實(shí)驗(yàn)八 用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀察彈性碰撞和完全非彈性碰撞現(xiàn)象。2驗(yàn)證碰撞過(guò)程中動(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒定律。 實(shí)驗(yàn)儀器氣墊導(dǎo)軌全套，MUJ-5C/5B計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)速儀，物理天平。實(shí)驗(yàn)原理 設(shè)兩滑塊的質(zhì)量分別為m1和m2，碰撞前的速度為和，相碰后的速度為和。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，有 （1）測(cè)出兩滑塊的質(zhì)量和碰撞前后的速度，就可驗(yàn)證碰撞過(guò)程中動(dòng)量是否守恒。其中和是在兩個(gè)光電門(mén)處的瞬時(shí)速度，即Dx/Dt，Dt越小此瞬時(shí)速度越準(zhǔn)確。在實(shí)驗(yàn)里我們以擋光片的寬度為Dx，擋光片通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間為Dt，即有。 實(shí)驗(yàn)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

2、碰撞過(guò)程中除了動(dòng)量守恒外，它們的動(dòng)能完全沒(méi)有損失，也遵守機(jī)械能守恒定律，有 （2）（1）若兩個(gè)滑塊質(zhì)量相等，m1=m2=m，且令m2碰撞前靜止，即=0。則由（1）、 （2）得到 =0， =即兩個(gè)滑塊將彼此交換速度。（2）若兩個(gè)滑塊質(zhì)量不相等，仍令=0，則有 及 可得 ， 當(dāng)m1m2時(shí)，兩滑塊相碰后，二者沿相同的速度方向（與相同）運(yùn)動(dòng)；當(dāng)m1 m2時(shí)，二者相碰后運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度，即 仍令則有 所以 當(dāng)m2=m1時(shí)，。即兩滑塊扣在一起后，質(zhì)量增加一倍，速

3、度為原來(lái)的一半。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.安裝好光電門(mén)，光電門(mén)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(yùn)動(dòng)。計(jì)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(chēng)出兩滑塊的質(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(yùn)動(dòng)，因動(dòng)量守恒，即 (2) 在碰撞前，將一個(gè)滑塊（例如質(zhì)量為m2）放在兩光電門(mén)中間，使它靜止（），將另一個(gè)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。 (3) 兩滑塊相碰后，它們粘在一起以速度v向前運(yùn)動(dòng)，記錄擋光片通過(guò)光電門(mén)的速度v。 (4) 按上述步驟重復(fù)數(shù)次，

4、計(jì)算碰撞前后的動(dòng)量，驗(yàn)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(shí)，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(jī)械能近似保持不變。仍設(shè)，則有參照“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： ， ， 次數(shù)碰 前碰 后百分偏差（）（）123不同質(zhì)量滑塊碰撞： ， ， 次數(shù)碰 前碰 后百分偏差（）（）1232、彈性碰撞數(shù)據(jù)表不同質(zhì)量滑塊碰撞： ， ， 次數(shù)碰 前碰 后百分偏差123相同質(zhì)量滑塊碰撞： ， ，次數(shù)碰 前碰 后百分偏差（）（）123思考題1為了驗(yàn)證動(dòng)量守恒

5、，在本實(shí)驗(yàn)操作上如何來(lái)保證實(shí)驗(yàn)條件，減小測(cè)量誤差。2為了使滑塊在氣墊導(dǎo)軌上勻速運(yùn)動(dòng)，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(shí)驗(yàn)儀器，它是利用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?chē)諝獾淖枇Α＿@樣，滑塊的運(yùn)動(dòng)可近似看成是“無(wú)磨擦”運(yùn)動(dòng)。 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(mén)三部份組成。圖1 氣軌結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌：由長(zhǎng)1.5m的一根非常平直的直角三角

6、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。導(dǎo)軌的一端還裝有氣墊“滑輪”，它不轉(zhuǎn)動(dòng)，只是一個(gè)鉆有小孔的空心圓柱（或彎管），當(dāng)壓縮空氣從小孔噴出時(shí)，可以使繞過(guò)它的輕薄尼龍懸浮起來(lái)，因此可當(dāng)成沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)也沒(méi)有磨擦的“滑輪”。整個(gè)導(dǎo)軌裝在橫梁上，橫梁下面有三個(gè)底腳螺釘，既作為支承點(diǎn)，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(yùn)動(dòng)物體，其兩側(cè)內(nèi)表面與導(dǎo)軌表面精密

7、吻合。兩端裝有緩沖彈簧或尼龍搭扣，上面安置測(cè)時(shí)用的矩形（或窄條形）擋光片。光電門(mén)：導(dǎo)軌上設(shè)置兩個(gè)光電門(mén)，光電門(mén)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(guò)導(dǎo)線和計(jì)時(shí)器的光控輸入端相接。當(dāng)滑塊上的擋光片經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)，光敏管受到的光照發(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(hào)觸發(fā)計(jì)時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始或停止計(jì)時(shí)。光電門(mén)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(xiàng) 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(mén)損壞軌面。未通氣時(shí)，不允許將滑塊在導(dǎo)軌上來(lái)回滑動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)將滑塊從導(dǎo)軌上取下。

8、滑塊的內(nèi)表面經(jīng)過(guò)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(duì)不可將滑塊與別的組調(diào)換。實(shí)驗(yàn)中必須輕拿輕放，嚴(yán)防碰傷變形。拿滑塊時(shí)，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。如軌面小氣孔堵塞，可用直徑小于 0.6mm 的細(xì)鋼絲鉆通。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(yùn)動(dòng)情況。若導(dǎo)軌不水平，滑塊將向較低的一邊滑動(dòng)。調(diào)節(jié)導(dǎo)軌一端的

9、單腳螺釘，使滑塊在導(dǎo)軌上保持不動(dòng)或稍微左右擺動(dòng)而無(wú)定向移動(dòng)，則可認(rèn)為導(dǎo)軌已調(diào)平。（2） 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)法：將兩光電門(mén)分別安在導(dǎo)軌某兩點(diǎn)處，兩點(diǎn)之間相距約50cm（以指針為準(zhǔn)）。打開(kāi)光電計(jì)數(shù)器的電源開(kāi)關(guān)，導(dǎo)軌通氣后滑塊以某一速度滑行。設(shè)滑塊經(jīng)過(guò)兩光電門(mén)的時(shí)間分別為Dt1和Dt2。由于空氣阻力的影響，對(duì)于處于水平的導(dǎo)軌，滑塊經(jīng)過(guò)第一個(gè)光電門(mén)的時(shí)間Dt1總是略小于經(jīng)過(guò)第二個(gè)光電門(mén)的時(shí)間Dt2（即Dt1Dt2）。因此，若滑塊反復(fù)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，只要先后經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間相差很小，且后者略為增加（兩者相差2%以?xún)?nèi)），就可認(rèn)為導(dǎo)軌已調(diào)水平。否則根據(jù)實(shí)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(jì)算左右來(lái)回運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間差（Dt2Dt1）大體相同即可。（三）測(cè)定速度的實(shí)驗(yàn)原理圖2 擋光片物體作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，平均速度為，時(shí)間間隔或位移越小時(shí)，平均速度越接近某點(diǎn)的實(shí)際速度，取極限就得到某點(diǎn)的瞬時(shí)速度。在實(shí)驗(yàn)中直接用定義式來(lái)測(cè)量某點(diǎn)的瞬時(shí)速度是不可能的，因?yàn)楫?dāng)趨向零時(shí)也同時(shí)趨向零，在測(cè)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〉募捌湎鄳?yīng)的，用其平均速度來(lái)近似地代替瞬時(shí)速度。被研究的物體（滑塊）在氣墊導(dǎo)軌上作“無(wú)摩擦阻力”的運(yùn)