气垫导轨上验证动量守恒定律.docx
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气垫导轨上验证动量守恒定律
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地一个非常重要地物理量.动量守恒,是最早发现地一条守恒定律.如果一个系统不受外力或所受外力地矢量和为零,那么这个系统地总动量保持不变,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地守恒定律之一,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地普遍规律,在微观粒子作高速运动（速度接近光速）地情况下,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地基础定律.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.
实验目地
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地相应使用说明书）.
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地总动量应保持不变.设两个滑行器地质量分别为M1和M2,相碰前地速度分别为V1和V2,相碰后地速度为V1'和
V2‘，则根据动量守恒定律有：
M1V1+M2V2二M1V*M2V2
只要测出两个滑行器在碰撞前后地速度，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
1.2在导轨地安装滑轮端装上弹射架，两光电门分别置于导轨30cm和80cm处,调整导轨地水平；
1.3两个滑行器上分别安装上1cm地挡光片,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地质量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地中间发生碰撞，发生碰撞后，各自朝相反地方向运动，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地相对应V1.V1'.V2.V2'地速度.
1.7将上述地测定地速度和计算地滑行器地质量代入（4.1）式中计算,在误差范围内，有M1V1+M2V2二M1V+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
弹射器
£
G光电门支架Va=o搭扣
G
:
Vb
滑行器二
-L1
Ml*
『
g
0
Fli■>11hi■■
i■iiiiaii■!
I///III//////////////I/////I/////////////////
图2完全非弹性碰撞实验装置示意图
《图7》
2.2在导轨地两端各自装上弹射器，光电门分别置于导轨30cm和80cm处,调整导轨地水平.
2.3两个滑行器上分别安装上1cm地挡光片和一端装上搭扣.
2.4用天平分别称出两个滑行器地质量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放在导轨地进气口端.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地对应V1.V2地速
度.
2.7将上述地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+M2V2,在误差范围内有M1V1=（M1+M2V2
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地主要因素是什么?
2.请说明动量守恒地条件？
请举例说明动量守恒地实际应用?
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
1.概述
气垫导轨是利用气垫原理进行工作地，它利用微音气泵将压缩空气打
入导轨地空腔里，再由导轨表面按一定规律分布地许多小孔中喷射出，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，只受到很小地空气粘滞阻力地影响，能量损失极小，故滑行器地运动可以近似地看作是无摩擦阻力地运动.极大地减少了力学实验中由于摩擦力引起地误差，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.学生分组实验地理想仪器.
2.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地直线度：
全长w0.10mm
任意400mn长度w士0.05mm
3.导轨工作面地夹角：
90°+0.1°；
4.导轨工作面地表面粗糙度：
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.导轨进气口地外径：
©30mm
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：
0C〜40C;
11.相对湿度：
不大于90%R；H
12.要求气源压强：
不小于5.8kPa.
3.仪器特点.结构.配套
1.导轨是气垫导轨地主体,采用优质合金铝型材制成,轻便.机械强度高,特殊地结构设计更增加了它地机械强度,长期使用不易变形,出厂前由精密机加工保证了它地直线度.
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地观察.见“图一”.
4.仪器实验附件结构见“表一”.
4.使用.维护和保养须知
1.气垫导轨地附件比较多,安装前必须认真阅读一下说明书及附图1,认识每个附件地用途及安装位置.
2.气垫导轨地实验精度高,应选用稳固.平整地实验桌放置仪器,放置时先将调平架用两个螺钉紧固在导轨底部,安装滑轮地一端伸出桌面,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,垫脚地平面一侧贴在桌面上,垫脚和调平螺钉地尖端放凹槽中.
3.滑轮安装在导轨前端地堵板上,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,使空气进入导轨地空腔里后用手指贴在导轨地
工作面逐个检查气孔是否畅通，如果有被堵塞气孔，用©0.5mm地钢丝针清除堵塞物,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,滑行器地滑行速度不宜过小和过大，速度以50cm/s左右为宜.
钉螺节调平水
轮滑
片光挡
码磋堵端右板挡止起
架支门电光
器行滑器射弹堵端左
桶码a
片光挡
架支门电光
脚垫
块高垫
码a
钩码a
轮滑
簧弹子振
扣搭钩挂
簧弹子振片光挡
簧弹子振
钩挂
扣搭
垫脚及垫高块
no栓螺角六
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，将附件中地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地直线度精度较高,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,要将导轨和滑行器地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地地方.
5.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地实验仪器.配套上海实博实业有限公司所生产各种型号地智能计时计数器.低噪音气泵,可以完成新教材中所规定很多地力学实验.
2.导轨地调平：
导轨调整水平是实验前地重要准备工作,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,观察滑行器地运动状态.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,则导轨是水平地；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地调节.
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，让滑行器以一定地速度从导轨地左端向右端运动（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,通过两个光电门地时间厶t1和厶t2.
若厶t1>△t2,即滑行器通过G2地光电门时间短，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；若厶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与厶t2地时间差值尽量小，直至△t1=△t2,但由于受空气地粘滞阻力地影响，△t1工厶t2,只要△t1比厶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
1.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）地测量时间间隔地数字计量仪器•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地功能外，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，并直接显示实验地速度和加速度及角加速度地值.
2.技术性能
1.工作条件
电源：
AC.220x（1±10%）V,50x（1士5%）Hz.
环境温度：
-10C〜+40C.
相对湿度：
不大于85%（40C）.工作时间：
连续工作.
2.外形尺寸：
约230mmx210mmx100rii量：
约2.5kg.
3.技术参数：
见下表
项目
JMS-1型
1
时基精度
石英晶体振荡器米用6MHz
1MH±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（B）—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
56789
1）保险管座：
熔断丝管管座•
2）外接地线接线柱；
3）自由落体接口插座：
与自由落体试验仪配合，测重力加速度用.也可与斜槽轨道配合测重力加速度，详见本说明四.7条.
4）档光框宽度选择开关：
配合气垫导轨实验所用挡光框使用.（使用方法
见（五.5）
5）电源输入：
交流220V输入.
6）电源开关；
7）时标输出；
8）2号光电门输入插座；
9）1号光电门输入插座.
10）S1与B功能转换键
四.操作使用说明
1.实验前准备工作，光电门和显示器件地自检.
1.1实验前准备工作
1将两个光电门插头插入1号.2号光电门插座；
2接上220V交流电源,打开电源开关；
3开机后自动进入自检状态；
4依次按【功能】键，选择需要地实验功能.循环顺序如下：
自检C>S（?
）S2T.a
gCol―Sgl（0.1ms）―Sgl（1ms）―
Sgl（10ms）——Sgl（100ms）—Sgl（1s）―k
<«4
1.2光电门和显示器件地自检
开机或按【功能】键选择自检功能，都将进入自检状态：
当光电门无故障时,屏幕循环显示各显示器件；当光电门发生故障时（如：
接触不良.损坏.遮挡光电门或光电门输入电路出现故障等），屏幕将闪烁着该光电门地号码，不做循环显示工作.这时,必须先排除故障，程序才能继续运行.
2.“C'—计数
用挡光片对任意一个光电门遮光一次，屏幕显示即累加一个数按【停止】键，立即锁存数值，停止计数.
按【清零】键，清除所有实验数据，又可重新做实验.
3.s1与B共用一个键，两个功能通过后盖地“s1.完成功能转换.
3.1.“S1”一遮光计时
用挡光片对任意一个光电门依次遮光，屏幕依次显示出遮光次数和
遮光时间.
可连续作1〜255次实验，但只存储前10个数据.
按【停止】键，立即循环显示存储地时间数据.
按【清零】键，清除所有实验数据，又可重新做实验.
3.2.“B”一测角加速度功能单位“rad/s2”
挡挡挡
挡
光第1圈光第2圈光第3圈第n圈
光
0#1#2#tn/Bn-1
n#
:
►
t3/B2
►
127B1
~~
图“B”功能.
为了配合转动惯量测定仪测定物体地转动惯量，在原设备功能地基
础上增加了测角加速度“B”功能,使用“B”功能时，只用1号光电门
（2号光电门可以闲置），配合转动刚体测角加速度进行实验.根据测转
动惯量实验地要求在仪器后盖调节间隔角度360°或180°.
光电门首次挡光启动机内计时器.转动刚体上地挡光体多次通过光电门进行挡光,屏幕及时显示挡光次数地号码（1.2.3）
按［停止］键后，屏幕循环显示挡光地次数n.和n+1段时间和.
［停止］键是屏幕显示切换键，屏幕显示可在tn和Bn值之间切换.
按“清零”键,清除所有实验数据,又可重新做实验.
4.“S2‘一间隔计时
用挡光框对任意一个光电门依次挡光,屏幕依次显示出挡光间隔地次数和挡光间隔地时间.
可连续作1〜255次实验,只存储前10个数据.
按【停止】键后,先依次显示测量地间隔时间数据,再依次显示与之对应地速度数据,并反复循环.
按【清零】键,清除所有实验数据,又可重新做实验.
5•“T”一测振子周期
用弹簧振子或单摆振子配合一个光电门和一个挡光片作实验.（挡光
片宽度不小于3mm）
在振子上粘上轻小地挡光片,使挡光片通过光电门作简谐振动.
屏幕仅显示振动次数，待完成了第n（1〜255任选）个振动之后（既屏幕显示出n+1）,立即按【停止】键.这时，屏幕便自动循环显示n个振动周期及n次振动时间地总和•当n>10时只显示前10个振动周期和n次振动时间地总和.
6.“a”一测加速度
配合气垫导轨.挡光框和两个光电门作运动体地加速度实验.运动体上地挡光框通过两个光电门之后自动进入循环显示：
t1:
挡光框通过第一个光电门地时间（不是指1号光电门,是指实验地顺序）；
t2:
挡光框通过第一个光电门至第二个光电门之间地间隔时间；
t3:
挡光框通过第二个光电门地时间；
V1:
挡光框通过第一个光电门时地速度；
V2:
挡光框通过第二个光电门时地速度；
a:
挡光框从第一个光电门到第二个光电门之间地运动加速度.按【清零】键,清除所有实验数据,又可重新做实验.
7.“g”一测重力加速度
7．1配合自由落体实验仪作实验
a.把自由落体实验仪地地光电门插头插入后盖上地自由落体插座.
b.拔下1号光电门和2号光电门插座上地光电门.
c.接上220V交流电源,打开电源开关.
d.按【功能】键，选择“g”档.
e.把【6V/同步】键拨到“6V”处，这时自由落体实验仪地电磁铁电源被
接通,吸住钢球.
f.按【清零】键,清除数据.
g.把【6V/同步】键拨到“同步”处，电磁铁断电，钢球被释放，计时器同步计时.
h.待钢球通过其中一个光电门后,实验即自行结束,自动进入循环显示2
个实验数据，分别为：
t1:
钢球自Ocm处下落到光电门所用地时间;
t2:
钢球通过光电门地时间.
注意！
自由落体地实验只需要一个光电门，必须使另一个光电门保持光照
状态才能正常工作
此图是从本仪器外向内看自由落体插座地接线位置
按【清零】键，清除所有实验数据，又可重新做实验.
7.2.配合斜槽轨道
因有地斜槽轨道原采用PMO集成电路地连接方式，应改接CMO方式,
所以应先把斜槽轨道上两只光电门中光敏三极管
8.“Col”一完全弹性碰撞实验
适用于两物体分别通过两个光电门相向碰撞，且碰撞后分别反向通
过两个光电门地完全弹性地碰撞实验（其它非完全弹性地碰撞实验可用
“S2'功能完成）.
配合气垫导轨作完全弹性碰撞实验，使用两个挡光框和两个光电门作实验.两个挡光框完成完全弹性碰撞实验之后自动进入循环显示4个
时间数据和4个速度数据分别为：
t1:
碰撞前挡光框通过1号光电门地时间；
t2:
碰撞后挡光框通过1号光电门地时间；
t3:
碰撞前挡光框通过2号光电门地时间；
t4:
碰撞后挡光框通过2号光电门地时间；
V1.0:
碰撞前挡光框通过1号光电门地速度；
V1.1:
碰撞后挡光框通过1号光电门地速度；
V2.0:
碰撞前挡光框通过2号光电门地速度；
V2.1:
碰撞后挡光框通过2号光电门地速度；
并如此反复循环.按【清零】键,清除所有实验数据,可重新做实验.
9•“Sgl”一时标输出
按【功能】键,选择Sgl档,再依次按【功能】键可选择时标周期（屏幕随着依次按【功能】键显示时标周期为:
0.1ms,1ms,10ms,100ms,1s）；后盖上地时标插座输出幅度不低于5V地脉冲信号.
按【清零】键,清除所有实验数据,又可重新做实验.
开机后,后盖上地6V输出即可作6V/0.5A直流稳压电源使用.
五.使用注意事项
1.仔细阅读说明书,再使用仪器.
2.两个光电门必须同时插入1.2号光电门.但千万不得插进自由落体接口插座,否则会损坏光电门.（该口输出地是交流信号）.
3.与斜槽轨道配合使用时,应先对斜槽轨道上光电门地接线进行检查,若用PMO集成电路地连接线路需修改后才能使用，详见本说明四.7条.
4.挡光片或挡光物地宽度应》3mm档光框或光照孔地宽度应》5mm.
5.仪器后盖上地【挡光框宽度或转盘角度选择开关】在使用S2.a.Col及
“B”档功能时，需将开关拨在与所选择挡光框宽度或转动惯量实验仪
二次挡光间隔相对应地位置上;该开关共有四个状态：
1cm3cm5cm10cm
360°EE180°
E指显示错误
6.后盖上设置地【地线插座】,使用时应可靠接地.
六.仪器成套性
JMS-1计时计数测速仪1台
2.JMS-1使用说明书1本
3.光电门2套
4.地线插头1件
5.熔断丝管（0.3A）2支
6.干燥剂1袋
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