用气垫导轨验证动量守恒
环境工程061沈皇洁
引言
机械运动是物质最基本、最普遍的运动形式,机械能
守恒定律和动量守恒定律是机械运
动遵从的基本定律。但是,在通常情况下,物体总是受摩擦阻力和其它物体的作用,其能量
在运动过程将逐渐減少,动量会有相应的变化。碰撞是一个很重要的力学过程,通过研究在
水平气垫导轨上运动的两个滑块的碰撞情况,了解性碰撞和非惮性碰撞的特点:在实际力
学系统中,验证动量守恒定律。
2.理论依据
在一力学系统中,如果系统所受外力的矢量和为0,则系统的总动量保持不变,这就是
动量守恒定理。将两滑块放在气垫导轨上:,让他们相互碰撞。由于气垫的浮托作用,滑块与
导轨间的摩擦阻力可忽略不计。因此,由两个滑块组成的系統在水平方向上不受外力作川
在水平方向上:总动量保持不变。设两物块质量分别为m1和m2,碰撞前,速度分别为V1和
2,碰撞后的速度为V3和V4。则:
mv1+i2v2-m1v3
3.物理过程设计
碰分下面弹性碰撞和非弹性碰,分炳种情況讨论
3.1弹性碰撞下的动量守恒
两个物体相互碰撞,碰撞过程中动量没有损失,这种碰撞称为弹性碰撞。用公式表示为:
1/2mV12+1/2mV2-1/2mV32+1/2mV4
实验时的滑块装有缓冲弹簣,滑块相碰,由于缓冲弹簧发生形变后恢复,系统的机械
能计划不损失,动量守恒,动能也守恒。为了测量方便,可令静止m2静止(即V2-0),则
mivi=mv3+m,>V4
mivi - I mv.
联立可解得:
V3-(mm2)?V/(m1lm2)
V4-2m2V1/(m+m2)
(3)
3.2完全非弹性碰撞下的动量守恒
相互碰撞的两个物体,撞后以同一速度运动而不分开,就称为完全非蝉性撞。由于
发生了永久形变,所以机械能不守恒,但动量守恒。设碰撞后炳物体共同速度V1-V4-V,
动量守恒定律可写为
mv1 I m:v-(M1I m3)V
(4)
当V2=0时,有:
V-mv/(m+m
(5)
仪器介绍:L-QG-T-1200/5.8型气垫导轨气垫导轨是一种现代化的力学实验仪
器。它利用小型气源将压缩空气送入导轨内腔。空气再由导轨表面上:.的小孔中喷出,在导轨
表面与滑行器内表面之间形成很薄的气垫层。滑行器就浮在气垫层上,与轨面脱离接触,因
而能在轨面上做近似无阻力的直线运动,极大地减小了以往在力学实验中由于摩擦力引起的
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误差。使实验结果接近理论值。
气垫导轨由导轨、滑行器及有关实验附件组成。导轨是气垫导轨的主体,它是一根平直
光滑的五边形空心铝合金自接拉伸型材加工制成的。在导轨两侧的水平方向上有两条加强
筋,防止导轨变形。斜面筋上有一刻度尺,刻度尺的最小分度为1毫米,是用来确定滑行器
及光电门的位置的。另外平面筋上还可粘火花打点记录纸帯。导轨的底部有两个支座,一个
支座是单脚支座,高度不可调节。另ー个是双脚支座,也称横调整架,该支座上炳脚是岗只
调节螺钉,用来调节导轨的纵向水平及横向水平。
气垫导轨实验中的运动物体为滑行器(又称滑块)。滑行器是由铝合金职称的,形槽的
个内表面互相垂直为滑行器的工作面,经过精加工,光滑而平整。滑行器上部有五条“T”
形槽,可川螺钉和螺帽方便地在槽上固定各种附件。下面的两条“T”形槽的中心正好通过
滑行器的质心,在这炳条槽的炳端安装碰撞器或挂钩,可使滑行器在运动过程中所受外力通
过质心。在这炳条槽的中部加装配重块后滑行器的质心不会改变高度。
气垫导轨的附件很多,主要的有光电门架、各种挡光片、垫块、砝码等。这些附件能满
足多种实验的要求,使得气垫导轨的应用更加广泛。
4.实验步骤
4.1在弹性碰撞情况下验证动量守恒定律
4.1.1调平气垫导轨,使计时、计数测速仪进入工作状态
4.1.2两光电门置于相距50cm处,将一滑块M2置于两光电门之间的适当位置,使其静
止。将另一滑块M1置于导轨的一端,两滑块惮簧片相对。
4.1.3用手轻轻推动滑块M1,滑块通过光电门后与M2相碰。用计速仪读出速度,分别
记下V1,V3,V4于表格1中。
4.1.4重复实验3次,验证此情况下,碰撞前后动量是否守恒。
4.2在完全非弹性碰撞情況下验证动量守恒定律
4.2.1同上步,将一滑块M3置于两光电『」之间的适当位置,使其静止。将另一滑块M
置于导轨的一端,将两滑块有磁铁的一端相对。
4.2.2用手轻轻推动滑块M,滑块通过光电『」后与M相碰。用计速仪读出速度,分别
记下V1,V于表格2中。
4.2.3重复实验3次,验证此情况下,碰撞前后动量是査守恒
4.2.4实验结束,整理好实验仪器
实验原始数据
滑块质量m1-,0.2058-kgm2-.0.3193_.kg
3282-k
表1
验证动量守恒定律测量数据(1)
测量
碰撞前
碰撞后
次数
(10
(k
/)
(10~m/s)
(10m/s)
g. m/s
41.95
0.0863
-6.88
0.0861
50.57
0.1041
37.99
0.1032
133.74
0.2752
-1.3.30
0.2728
表2验证动量守恒定律测量数据(2)
测量
碰撞
撞后
(10m/s)
(kg. m/s)
(10m/s)
y m/s
102.77
0.2115
39.04
0.2085
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