气垫导轨上验证动量守恒定律参考资料.docx
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气垫导轨上验证动量守恒定律参考资料
实验二在气垫导轨上验证动量守恒定律
动量是描述物体运动的一个非常重要的物理量。
动量守恒，是最早发现的一条守恒定律。
如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零，那么这个系统的总动量保持不变，这个结论叫做动量守恒定律。
动量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一，它既适用于宏观物体，也适用于微观粒子；既适用于低速运动物体，也适用于高速运动物体。
动量守恒定律与能量守恒定律、角动量守恒定律是自然界的普遍规律，在微观粒子作高速运动（速度接近光速）的情况下，牛顿定律已经不适用，但是以上定律仍然适用。
现代物理学研究中，动量守恒定律成为一个重要的基础定律。
它是一个实验规律，也可用牛顿第三定律和动量定理推导出来。
实验目的
1．用弹性碰撞和完全非弹性碰撞情况下验证动量守恒定律。
实验仪器
QDG-1型气垫导轨实验设备一套、JMS-1计时计数测速仪一台（请在实验之前认真阅读附录1和附录2的相应使用说明书）。
实验原理
在水平导轨上放两个滑行器，以两个滑行器作为系统，在水平方向不受外力，两个滑行器碰撞前后的总动量应保持不变。
设两个滑行器的质量分别为M1和M2，相碰前的速度分别为V1和V2，相碰后的速度为V1′和V2′，则根据动量守恒定律有：
M1V1+M2V2=M1V1′+M2V2′
只要测出两个滑行器在碰撞前后的速度,称出质量,即可验证动量守恒定律。
实验内容
1、弹性碰撞
1.1实验装置见图1
图1弹性碰撞实验装置示意图
1.2在导轨的安装滑轮端装上弹射架,两光电门分别置于导轨30cm和80cm处，调整导轨的水平；
1.3两个滑行器上分别安装上1cm的挡光片，令其一在滑行器M1两端各安装弹性架。
1.4用天平分别称出两个滑行器的质量M1和M2；
1.5将计时器功能选择在“碰撞”档。
令两个滑行器放在导轨两端处作为运动起始点。
用手同时推动两个滑行器使其相向运动，让它们分别通过两个光电门的中间发生碰撞，发生碰撞后，各自朝相反的方向运动，再次分别通过两个光电门，此时计时器会自动测出4个t1、t1′、t2、t2′时间。
（详见J0201-CC或J0201-CHJ型数字计时器说明书）。
1.6计算出两滑行器碰撞前后通过两个光电门的相对应V1、V1′、V2、V2′的速度。
1.7将上述的测定的速度和计算的滑行器的质量代入（4.1）式中计算，在误差范围内，有M1V1+M2V2=M1V1′+M2V2′式成立，即验证了动量守恒定律。
2、完全非弹性碰撞
2.1实验装置见图2
图2完全非弹性碰撞实验装置示意图
2.2在导轨的两端各自装上弹射器，光电门分别置于导轨30cm和80cm处，调整导轨的水平。
2.3两个滑行器上分别安装上1cm的挡光片和一端装上搭扣。
2.4用天平分别称出两个滑行器的质量M1和M2。
2.5将计时器功能选择在“间隔计时”档，令其一滑行器M2放在导轨中间处于静止状态（即两个光电门中间处），另一滑行器M1放在导轨的进气口端。
用手推动滑行器M1向其滑行器M2方向运动。
通过其一光电门后，自动测出时间。
与滑行器M2发生完全非弹性碰撞后，两个滑行器同一方向继续运动通过另一光电门后，自动测出时间。
立即用手轻轻制止滑行器运动。
2.6算出两滑行器在完全非弹性碰撞前后通过光电门的对应V1、V2的速度。
2.7将上述的测定和计算出滑行器完全非弹性碰撞前总动量为M1V1和完全非弹碰撞后总动量（M1+M2）V2,在误差范围内有M1V1=（M1+M2）V2式成立。
即验证了动量守恒定律。
思考题
1.根据实际情况分析实验中引起测量误差的主要因素是什么？
2.请说明动量守恒的条件？
请举例说明动量守恒的实际应用？
附录1
QDG-1型
气垫导轨
使用说明书
使用之前
请务必仔细阅读
使用说明书
一、概述
气垫导轨是利用气垫原理进行工作的，它利用微音气泵将压缩空气打入导轨的空腔里，再由导轨表面按一定规律分布的许多小孔中喷射出，在导轨平面与滑行器内表面之间形成一个薄空气层——气垫，滑行器被气垫托起来悬浮在导轨上面，滑行器在气轨表面运动过程中，只受到很小的空气粘滞阻力的影响，能量损失极小，故滑行器的运动可以近似地看作是无摩擦阻力的运动。
极大地减少了力学实验中由于摩擦力引起的误差，使实验结果基本上接近理论值，提高了实验精度，实验现象真实直观，实验效果明显，易为学生接受。
气垫导轨与计时器及微音气泵配套使用，可对各种力学物理量进行定量测定，对力学规律进行验证，是教师演示、学生分组实验的理想仪器。
二、技术性能
1、导轨工作面：
QDG-2-1.2型长度1200mm；
QDG-2-1.5型长度1500mm；
QDG-2-2.0型长度2000mm；
2、导轨纵向竖直平面内的直线度：
全长≤0.10mm；
任意400mm长度≤±0.05mm；
3、导轨工作面的夹角：
90°+0.1°；
4、导轨工作面的表面粗糙度：
Ra3.2
5、导轨脚距：
QDG-2-1.2型：
600mm；
QDG-2-1.5型：
800mm；
QDG-2-2.0型：
1100mm。
6、喷气孔孔径：
0.8mm；
7、导轨进气口的外径：
φ30mm；
8、滑行器：
QDG-2-1.2型：
长度121mm，质量约155g；
QDG-2-1.5型：
长度156mm，质量约200g；
QDG-2-2.0型：
长度242mm，质量约310g；
9、滑行器浮高：
在气体压强不小于5.8kPa，最大承载质量不小于3倍滑行器质量条件下，不小于0.10mm；
10、工作环境温度：
0℃～40℃；
11、相对湿度：
不大于90%RH；
12、要求气源压强：
不小于5.8kPa。
三、仪器特点、结构、配套
1、导轨是气垫导轨的主体，采用优质合金铝型材制成，轻便、机械强度高，特殊的结构设计更增加了它的机械强度，长期使用不易变形，出厂前由精密机加工保证了它的直线度。
2、导轨两端堵板为可拆卸式，便于清洗导轨内腔。
3、导轨两侧均可安装光电门,便于学生对实验现象的观察。
见“图一”。
4、仪器实验附件结构见“表一”。
四、使用、维护和保养须知
1、气垫导轨的附件比较多，安装前必须认真阅读一下说明书及附图1，认识每个附件的用途及安装位置。
2、气垫导轨的实验精度高，应选用稳固、平整的实验桌放置仪器，放置时先将调平架用两个螺钉紧固在导轨底部，安装滑轮的一端伸出桌面，便于实验，另一端通过波纹软管与气源相接。
在导轨支脚下面垫上垫脚，垫脚的平面一侧贴在桌面上，垫脚和调平螺钉的尖端放凹槽中。
3、滑轮安装在导轨前端的堵板上，使用前应调整轴尖要适度，使滑轮转动灵活，并滴加少许钟表油，使之润滑。
4、气源接通电源和导轨，使空气进入导轨的空腔里后用手指贴在导轨的工作面逐个检查气孔是否畅通，如果有被堵塞气孔，用φ0.5mm的钢丝针清除堵塞物，务必使每个气孔畅通。
为避免实验受振动影响，气源应放在远离实验桌处。
5、有些实验滑行器要重复地从同一位置开始运动，可用起始挡板定位。
6、实验中，滑行器的滑行速度不宜过小和过大，速度以50cm/s左右为宜。
附件盒布局
7、作弹性碰撞实验时用弹射器。
作完全非弹性碰撞实验时，将附件中的搭扣分别安装在两个滑行器上，碰撞时两个滑行器滑行通过搭扣粘在一起运动。
8、导轨和滑行器工作面的直线度精度较高,为此在搬运及安装使用中,严禁磕碰、受压和撞击,导轨在未通气前,严禁用滑行器沿轨面滑动摩擦,以防损伤工作面。
9、每次实验后,要将导轨和滑行器的工作面用干净软布擦试干净。
导轨在存放时竖直挂起存放为佳,不要放置在潮湿或有腐蚀性气体的地方。
五、实验方法
1、气垫导轨是物理力学教学中教师学生不可缺少的实验仪器。
配套上海实博实业有限公司所生产各种型号的智能计时计数器、低噪音气泵，可以完成新教材中所规定很多的力学实验。
2、导轨的调平：
导轨调整水平是实验前的重要准备工作，要细致耐心地反复调整，可按下列两种方法中任一种方法调平导轨：
a.静态调平法：
导轨接通微音气泵，滑行器置在导轨某处，用手轻轻地把滑行器压在导轨上，再轻轻地放开，观察滑行器的运动状态。
连续做几次，如果滑行器在导轨上静止不动，或稍有左右移动，则导轨是水平的；如滑行器都向同一方向运动，表明导轨不平。
认真仔细调节水平螺钉，直到滑行器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，即可认为已基本调平。
一般要在导轨上选取几个位置做这样的调节。
b.动态调平法：
将气轨与计时器配合进行调平，仪器接通电源，仪器功能选择在“间隔计时”档上，两个光电门间距不小于30cm卡装在导轨上，在导轨两端装上弹射器，滑行器装上挡光片（如1cm一种），给气轨通气，让滑行器以一定的速度从导轨的左端向右端运动（或者滑行器在导轨以一定速度向右运动），先后通过两个光电门G1和G2，计时器就分别计下了滑行器装上挡光片L宽度，通过两个光电门的时间△t1和△t2。
若△t1＞△t2，即滑行器通过G2的光电门时间短，表明滑行器运动速度加快，导轨左高右低，滑行器做加速运动；若△t1＜△t2，表明滑行器做减速运动，导轨左低右高，细心调节水平调节螺钉，△t1与△t2的时间差值尽量小，直至△t1＝△t2，但由于受空气的粘滞阻力的影响，△t1≠△t2，只要△t1比△t2稍微大些，即可视为导轨已基本调平了。
附录2
JMS-1计时计数测速仪
（存贮式数字毫秒计）
使用说明书
一、概述
JMS-1计时计数测速仪具有存储功能，时基精度高（微秒级）的测量时间间隔的数字计量仪器。
它可做计数、计时等使用。
本仪器采用MCS-51单片微型计算机为核心，智能度高，数据存储和处理能力强，操作简便，小数点、单位和量程自动定位、换档，且自动进入四舍五入智能化显示数据。
除了具有一般计时器的功能外，与QDG-2型气垫导轨、自由落体实验仪、转动惯量实验仪等配合使用，还能测量速度、加速度、重力加速度、角加速度、周期等物理量和碰撞等实验，并直接显示实验的速度和加速度及角加速度的值。
二、技术性能
1、工作条件
电源：
AC.220x（1±10％）V，50x（1±5％）Hz。
环境温度：
-10℃～+40℃。
相对湿度：
不大于85％（40℃）。
工作时间：
连续工作。
2、外形尺寸：
约230mmx210mmx100mm。
重量：
约2.5kg。
3、技术参数：
见下表
项目
JMS-1型
1
时基精度
石英晶体振荡器采用6MHz
1MHz±10Hz
2
数据显示
五位高为16.24mm高亮度LED数码显示
四个LED单位显示，八个LED功能指示，
3
计数范围
0～99999
4
计时范围
0.00ms～99999s
5
速度范围
0.00～999cm/s
6
加速度范围
0.00～999cm/s2
7
周期
0.00ms～99999s
8
时标周期
0.1ms，1ms，10ms，100ms，1s
9
时标幅度
不小于5V
10
直流稳压输出
6V/0.5A
11
光电门
2个
三、面板及后盖
1、面板示意图及说明1：
见下图
1）数据显示窗口：
显示测量数据、光电门故障信息等。
2）单位显示：
[s]、[ms]、[cm/s]、[cm/s2]或不显示（计数时不显示单位）。
3）功能:
C—计数a—加速度S1（β）—角加速度
g—重力加速度S2—间隔计时Col—碰撞
T—振子周期Sgl—时标
4）【功能】键：
功能选择。
5）【清零】键：
清除所有实验数据。
6）【停止】键：
停止测量，进入循环显示数据或锁存显示数据。
7）【6V/同步】键：
与自由落体试验仪或斜槽轨道配合使用。
（使用方法见（四.7）
2、后盖示意图说明2：
见下图
1）
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