碰撞与动量守恒.docx

1、碰撞与动量守恒碰撞与动量守恒实验简介动量守恒定律和能量守恒定律在物理学中占有非常重要的地位。力学中的运动定理和守恒定律最初是冲牛顿定律导出来的，在现代物理学所研究的领域中存在很多牛顿定律不适用的情况，例如高速运动物体或微观领域中粒子的运动规律和相互作用等，但是能量守恒定律仍然有效。因此，能量守恒定律成为了比牛顿定律更为普遍适用的定律。实验目的本实验的目的是利用气垫导轨研究一维碰撞的三种情况，验证动量守恒和能量守恒定律。定量研究动量损失和能量损失在工程技术中有重要意义。同时通过实验还可提高误差分析的能力。实验原理如果一个力学系统所受合外力为零或在某方向上的合外力为零，则该力学系统总动量守恒或在某

2、方向上守恒，即 （1） 实验中用两个质量分别为m1、m2的滑块来碰撞（图4.1.2-1），若忽略气流阻力，根据动量守恒有 （2） 对于完全弹性碰撞，要求两个滑行器的碰撞面有用弹性良好的弹簧组成的缓冲器，我们可用钢圈作完全弹性碰撞器；对于完全非弹性碰撞，碰撞面可用尼龙搭扣、橡皮泥或油灰；一般非弹性碰撞用一般金属如合金、铁等，无论哪种碰撞面，必须保证是对心碰撞。 当两滑块在水平的导轨上作对心碰撞时，忽略气流阻力，且不受他任何水平方向外力的影响，因此这两个滑块组成的力学系统在水平方向动量守恒。由于滑块作一维运动，式（2）中矢量v可改成标量 ， 的方向由正负号决定，若与所选取的坐标轴方向相同则取正号，

3、反之，则取负号。 1完全弹性碰撞 完全弹性碰撞的标志是碰撞前后动量守恒，动能也守恒，即 （3） （4） 由（3）、（4）两式可解得碰撞后的速度为 （5） （6） 如果v20=0，则有 （7） （8） 动量损失率为 （9） 能量损失率为 （10） 理论上，动量损失和能量损失都为零，但在实验中，由于空气阻力和气垫导轨本身的原因，不可能完全为零，但在一定误差范围内可认为是守恒的。 2.完全非弹性碰撞 碰撞后，二滑块粘在一起以10同一速度运动，即为完全非弹性碰撞。在完全非弹性碰撞中，系统动量守恒，动能不守恒。 （11） 在实验中，让v20=0，则有 （12） （13） 动量损失率 （14） 动能损失率

4、 （15） 3一般非弹性碰撞 一般情况下，碰撞后，一部分机械能将转变为其他形式的能量，机械能守恒在此情况已不适用。牛顿总结实验结果并提出碰撞定律：碰撞后两物体的分离速度 与碰撞前两物体的接近速度成正比，比值称为恢复系数，即 （16） 恢复系数e由碰撞物体的质料决定。E值由实验测定，一般情况下0em2，用物理天平称m1、m2的质量（包括挡光片）。 将两滑块分别装上弹簧钢圈，滑块m2置于两光电门之间（两光电门距离不可太远），使其静止， 用m1碰m2，分别记下m1通过第一个光电门的时间t10和经过第二个光电门的时间t1， 以及m2通过第二个光电门的时间t2，重复五次，记录所测数据，数据表格自拟，计算

5、 、 。 （2）分别在两滑块上换上尼龙搭扣，重复上述测量和计算。 （3）分别在两滑块上换上金属碰撞器，重复上述测量和计算。 2验证机械能守恒定律 （1）a=0时，测量m、m、me、s、v1、v2，计算势能增量mgs和动能增量 ，重复五次测量，数据表格自拟。（2）时，（即将导轨一端垫起至固定高度h），重复以上测量。试验仪器 图1：气垫导轨装置 主要由气轨、气源、滑块、挡光片、光电门、游标卡尺、米尺和光电计时装置等。运用本实验仪器可做多种实验，比如平均速度和瞬时速度、匀速直线运动的研究、牛顿第二定律的验证、完全非弹性碰撞、非完全弹性碰撞、重力势能与平动动能等。 气垫导轨是以空气作为润滑剂，近似无摩

6、擦的力学实验装置。导轨由优质三角铝合金管制成，长约 2m，斜面宽度约7cm，管腔约18.25cm，一端密封，一端通入压缩空气。铝管向上的两个外表面钻有许多喷气小孔，压缩空气进入管腔后，从小孔喷出。导轨的一端装有滑轮，导轨的二端装有缓冲弹簧，整个导轨安装在工字梁上，梁下有三个支脚，调节支脚螺丝使气垫保持水平。 图2：滑块和挡光片 滑块采用特制的带有五条细螺纹槽的人字型铝合金，便于安装各种附件，下表面与气垫导轨相吻合，碰撞中心在质心平面内。挡光片的结构分长方型和U型两种。 图3：滑块的接触面 不同的接触面导致不同的碰撞效果。 图4：光电门 光电计时系统由光电门和数字毫秒计或电脑计时器构成。光电门安

7、装在气垫导轨上，时间由数字毫秒计或电脑计时器测量。 图5：电脑计时器 图6：气源 气源是向气垫导轨管腔内输送压缩空气的设备。要求气源有气流量大、供气稳定、噪音小、能连续工作的特点，一般实验室采用小型气源，气垫导轨的进气口用橡皮管和气源相连，进入导轨内的压缩空气，由导轨表面上的小孔喷出，从而托浮起滑块，托起的高度一般在 0.1mm以上。实验数据记录1. 完全弹性碰撞2.一般非弹性碰撞3.完全非弹性碰撞实验结论1在误差允许的范围内，完全弹性碰撞、一般非弹性碰撞、完全非弹性碰撞过程中动量守恒。2.在误差允许的范围内，完全弹性碰撞过程中，机械能守恒。一般非弹性碰撞及完全非弹性碰撞过程中，均有能量损失，且完全非弹性碰撞过程能量损失比一般非弹性碰撞过程多。3.碰撞过程中，在误差允许的范围内，动量守恒，机械能只能减少或者守恒，不能增加。误差分析1. 气垫导轨没有调节在水平方向上。2. 实验数据及数据处理存在一定的误差。3. 推动滑块是作用时间过程或者力过大或者过小。