力学实验《用气垫导轨验证动量守恒定律》

用气垫导轨验证动量守恒定律

[实验目的]

1、观察弹性碰撞和完全非弹性碰撞现象。

2、验证碰撞过程中的动量守恒定律。

[实验仪器]

气垫导轨全套、MUJ-5C/5B 电脑通用计数器、物理天平、砝码。

[实验原理]

在水平气垫导轨上放两个滑块，以两个滑块作为系统，在水平方向不受外力，两个滑块碰撞前后的总动量应保持不变。设两滑块的质量分别为m 1和m 2，碰撞前的速度为10v 和20v ，相碰后的速度为1v 和2v 。根据动量守恒定律，应该有

2211202101v m v m v m v m +=+ （1）

测出两滑块的质量和碰撞前后的速度，就可验证碰撞过程中动量是否守恒。其中

10v 和20v 是在两个光电门处的瞬时速度，即∆x /∆t ，∆t 越小此瞬时速度越准确。

在实验里我们以挡光片的宽度为∆x ，挡光片通过光电门的时间为∆t ，即有

220110/,/t x v t x v ∆∆=∆∆=。

本实验分下述两种情况进行验证：

1、弹性碰撞：

两滑块的相碰端装有缓冲弹簧，它们的碰撞可以看成是弹性碰撞。在碰撞过程中除了动量守恒外，它们的动能完全没有损失，也遵守机械能守恒定律，有

2

2

2211220221012

1212121

v m v m v m v m +=+ （2） 若两个滑块质量相等，m 1=m 2=m ，且令m 2碰撞前静止，即20v =0，则由

（1）、（2）两式可得到

1v =0， 2v =10v 即两个滑块将彼此交换速度。

若两个滑块质量不相等，21m m ≠，仍令20v =0，则有 2211101v m v m v m += 及

2

2

221121012

12121

v m v m v m += 可得

1021211v m m m m v +-= ， 102

11

22v m m m v +=

当

m 1>m 2时，两滑块相碰后，二者沿相同的速度方向（与10v 相同）运动；

当m 1

2、完全非弹性碰撞

将两滑块上的缓冲弹簧去掉。在滑块的相碰端装上尼龙扣。相碰后尼龙扣将两滑块扣在一起，具有同一运动速度，即

v v v ==21

若两个滑块质量相等，m 1=m 2=m ，且令m 2碰撞前静止，即20v =0。则有

10

21

v v =

即两滑块扣在一起后，质量增加一倍，速度为原来的一半。

若两个滑块质量不相等，21m m ≠，仍令20v =0，则有

v )m m (v m 21101+=

所以

102

11

v m m m v +=

[实验内容]

1、在弹性碰撞下验证动量守恒定律

(1)调平气垫导轨，安装光电门，调节两光电门之间的距离约为50cm ，使电脑通用计时器进入工作状态；

(2)将两个质量相等的滑块放置在导轨上，滑块m 2置于两个光电门之间的适当位置，m 1置于导轨的另一端，使两滑块上面的弹簧相对。

(3)用手轻推滑块m 1，使其以一定的初速度通过光电门与滑块m 2相碰，碰后滑块m 1 静止，滑块m 2 的速度可有光电门测出，完成数据记录表1，验证两个速度是否相等，即可验证动量知否守恒。

(4) 给滑块m 1加上适当砝码，重复步骤三，完成数据记录表2，验证碰撞前

后的动量是否守恒。

2、在完全非弹性碰撞下验证动量守恒定律

(1)将两滑块的弹簧去掉，并安装非弹性碰撞器。同上步的(2) (3)，完成数据记录表3。验证两相等质量的滑块在非完全弹性碰撞的情况下，动量是否守恒。

(2)同上步的(4)，完成数据记录表4。验证两质量不相等的滑块在非完全弹性碰撞的情况下，动量是否守恒。

[数据记录]

数据记录表1：

数据记录表2：

数据记录表3：

数据记录表4：

[思考题]

1．为了验证动量守恒，在本实验操作上如何来保证实验条件，减小测量误差。

2．为了使滑块在气垫导轨上匀速运动，是否应调节导轨完全水平？应怎样调节才能使滑块受到的合外力近似等于零？

附录

仪器结构和使用方法。

（一）气垫导轨

气垫导轨是一种力学实验仪器，它是利用从气轨表面小孔喷出的压缩空气使安放在导轨上的滑块与导轨之间形成很薄的空气层（这就是所谓的“气垫”），促使滑块从导轨面上浮起，从而避免了滑块与导轨面之间的接触磨擦，仅有微小的空气层粘滞阻力和周围空气的阻力。这样，滑块的运动可近似看成是“无磨擦”运动。

1．气轨结构

如图1所示，它主要有导轨、滑块和光电门三部份组成。

图1 气轨结构

导轨：由长2m的一根非常平直的直角三角形铝合金管做成，两侧轨面上均匀分布着两排很小的气孔，导轨的一端封闭，另一端装有进气嘴，当压缩空气经软管从进气嘴进入导轨后，就从小孔喷出而托起滑块。滑块被托起的高度一般只在0.01~0.1mm左右。为了避免碰伤，导轨两端及滑块上都装了缓冲弹簧。导轨的一端还装有气垫“滑轮”，它不转动，只是一个钻有小孔的空心圆柱（或弯管），当压缩空气从小孔喷出时，可以使绕过它的轻薄尼龙悬浮起来，因此可当成没有转动也没有磨擦的“滑轮”。整个导轨装在横梁上，横梁下面有三个底脚螺钉，既作为支承点，也用以调整气轨的水平状态，还可在螺钉下加放垫块，使气轨成为斜面。

滑块：由角铝做成，是导轨上的运动物体，其两侧内表面与导轨表面精密吻合。两端装有缓冲弹簧或尼龙搭扣，上面安置测时用的矩形（或窄条形）挡光片。

光电门：导轨上设置两个光电门，光电门上装有光源（聚光小灯泡或红外发光管）和光敏管，光敏管的二极通过导线和计时器的光控输入端相接。当滑块上的挡光片经过光电门时，光敏管受到的光照发生变化，引起光敏两极间电压发生变化，由此产生电脉冲信号触发计时系统开始或停止计时。光电门可根据实验需要安置在导轨的适当位置，并由定位窗口读出它的位置。