实验1 动量守恒定律的研究

PAGEPAGE60实验1动量守恒定律的研究――气垫导轨实验（一）气垫技术是20世纪60年代发展起来的一种新技术，这一新技术克服了物体与运动表面之间的摩擦阻力，减少了磨损，延长了仪器寿命，提高了机械效率。因此，在机械、电子、纺织、运输等领域中得到了广泛的应用，如激光全息实验台、气垫船、空气轴承、气垫输送带等。气垫导轨（Airtrack）是采用气垫技术的一种阻力极小的力学实验装置。利用气源将压缩空气打入导轨腔内，再由导轨表面上的小孔喷出气流，在导轨与滑行器（滑块）之间形成很薄的空气薄膜，浮起滑块，使滑块可以在导轨上作近似无阻力的直线运动，为力学实验创造了较为理想的测量条件。在力学实验中，利用气垫导轨可以观察和研究在近似无阻力情况下物体的各种运动规律，极大地减少了由于摩擦力的存在而出现的较大误差，大大提高了实验的精确度。利用气垫导轨和光电计时系统，许多力学实验可以进行准确的定量分析和研究，使实验结果接近理论值，实验现象更加真实、直观。如速度和加速度的测量，重力加速度的测定，牛顿运动定律的验证，动量守恒定律的研究，谐振运动的研究，等等。动量守恒定律是自然界的一个普遍规律，不仅适用于宏观物体，也适用于微观粒子，在科学研究和生产技术方面都被广泛应用。本实验通过两个滑块在水平气垫导轨上的完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞过程来研究动量守恒定律。【实验目的】1．了解气垫导轨的基本构造和功能，熟悉气垫导轨的调节和使用方法。2．了解光电计时系统的基本组成和原理，掌握电脑通用计数器的使用方法。3．用观察法研究完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞的特点。4．验证动量守恒定律，学会判断实验是否能够验证理论的基本方法。【实验原理】1．碰撞与动量守恒定律如果某一力学系统不受外力，或外力的矢量和为零，则系统的总动量保持不变，这就是动量守恒定律。在一直线上运动的两个物体，质量分别为和，在水平方向不受外力的情况下发生碰撞，碰撞前的运动速度为和，碰撞后的运动速度为和，则由动量守恒定律可得（1）实验中利用气垫导轨上两个滑块的碰撞来研究动量守恒定律。2．完全弹性碰撞完全弹性碰撞的特点是碰撞前后系统的动量守恒，机械能也守恒。如图1所示，如果在两个滑块相碰撞的两端装上缓冲弹簧，在滑块相碰时缓冲弹簧发生弹性形变后恢复原状，系统的机械能基本无损失，可用公式表示图1完全弹性碰撞（m1图1完全弹性碰撞（m1＝m2）由式（1）和式（2）联合求解可得（3）在实验时，若令，两个滑块的速度必交换。若不仅，且，则碰撞后滑块变为静止，而滑块却以滑块原来的速度沿原方向运动起来。若两个滑块质量，且，则有（4）实际上完全弹性碰撞只是理想的情况，一般碰撞时总有机械能损耗，所以碰撞前后仅是总动量保持守恒，当时有（5）3．完全非弹性碰撞完全非弹性碰撞的特点是两个物体碰撞后一起以相同的速度运动。如图2所示，在两个滑块的两个碰撞端分别装上尼龙搭扣，碰撞后两个滑块粘在一起以同一速度运动就可视为完全非弹性碰撞。若，，，由式（1）可得（6）若，，则有（7）即两个物体碰撞后的速度为物体碰撞前速度的一半。图2完全非弹性碰撞4．恢复系数和动能比图2完全非弹性碰撞碰撞的分类可以根据恢复系数的值来确定。所谓恢复系数就是指碰撞后的相对速度和碰撞前的相对速度之比，常用e来表示（8）若e＝1，即是完全弹性碰撞；若e=0，即是完全非弹性碰撞。碰撞前后的动能比R也是反映碰撞性质的物理量，在时可以推导出动能比R为（9）在、时，动能比R为（10）若物体做完全弹性碰撞时，e＝1则R=1，无动能损失；若物体做完全非弹性碰撞时，e＝0则；若物体做一般非弹性碰撞时，，则。5．判断实验与理论是否相符实验总是存在着误差，因此实验验证动量守恒定律时式（1）不可能准确成立。设物体碰撞前后的总动量分别为P0和P，其标准不确定度分别和，如果满足如下关系式（11）说明碰撞前后动量的偏离量在实验允许的可能最大误差范围内。那么，就可以说，在实验误差范围内，动量守恒定律成立，即从实验上验证了动量守恒定律。如果不成立，说明实验没有验证动量守恒定律，需查出原因。1－进气口；1－进气口；2－标尺；3－滑块；4－挡光片；5－光电门；6－导轨；7－滑轮8－支承梁；9－垫脚（单底脚螺丝）；10－支脚（双底脚螺丝）；11－发射架；12－端盖图3气垫导轨的结构1．气垫导轨气垫导轨是一种接近于无摩擦阻力的力学实验装置，由导轨、滑块和光电计时测量系统组成，外形结构如图3所示。（1）导轨图4导轨的剖面图导轨是一根固定在钢架上的三角形铝合金空腔管，在空腔管的侧面钻有数排等距离的小孔，导轨剖面如图4所示。空腔管的一端封闭，另一端通过塑料管与供气系统相连。当压缩空气送入空腔管后，再从小孔高速喷出。在导轨上方可安放作为测量对象的滑块，在导轨上还有用于测量位置的标尺，在导轨下装有调节水平用的底脚螺丝。图4导轨的剖面图（2）滑块图5光电门的结构与测量原理滑块由直角形铝板制成，其内表面可以与导轨的两个侧面精密吻合。当压缩空气从导轨上的小孔中高速喷出时，在滑块和导轨之间形成很薄的空气层即气垫，使滑块悬浮在导轨面上。滑块与导轨面不发生直接接触，因此滑块在导轨上的运动，可近似地认为是一种无摩擦的运动。当然，实际上还存在滑块与导轨面间的空气粘滞力和滑块周围的空气阻力，但这些阻力很小，一般可以忽略不计。气垫导轨之所以能成为定量研究许多力学现象的一种良好实验装置，利用的就是这一特性。滑块中部的上方水平安装着遮光片（也称为挡光片），与光电门和计数器相配合，测量滑块经过光电门的时间或速度。滑块上还可以安装配重块（即金属片，用以改变滑块的质量）、弹性碰撞器（弹簧）、非弹性碰撞器（尼龙搭扣）等配件，用于完成不同的实验。图5光电门的结构与测量原理（3）光电计时系统光电计时测量系统由光电门和电脑通用计数器组成，光电门结构和测量原理如图5所示。当滑块从光电门旁经过时，安装在滑块上的遮光片穿过光电门，从发射器（如发光二极管）射出的红外光被遮光片遮住而无法照到接收器上，此时接收器（如光电二极管）产生一个脉冲信号。在滑块经过光电门旁的整个过程中，遮光片两次挡光，则接收器共产生两个脉冲信号，计数器将测出这两个脉冲信号之间的时间间隔。设二次遮光片间的遮光距离为，则平均速度为，当速度变化不大，或较小时，这个平均速度就可认为是滑块通过光电门中间的瞬时速度。（有关光电计时系统的较详细说明可参阅本实验的附录一。）MUJ系列电脑通用计数器用单片机作为中央处理器，并且编入了相应的数据处理程序，具备多组实验数据的记忆存储功能。从1、2两个光电门（光电门接在通用计数器背面的插座上）采集数据信号，经中央处理器处理后，在LED数码显示屏上显示出测量结果。MUJ系列电脑通用计数器的主要按键及其基本功能如下。①功能键多次按下功能键，选择要使用的功能。本实验主要使用“计时2（S2）”功能，即测量滑块经过P1和P2两光电门时滑块上挡光片遮光的时间间隔或滑块的速度（视设定的单位而定）。按下转换键，再按下功能键，仪器将清除之前所记录的测量结果。②转换键按下转换键大于1秒，选择所用挡光片的宽度（1cm、3cm、5cm或10cm），在显示的宽度值与所用挡光片的宽度相同时，放开此键即可。每次开机时挡光片的宽度自动设定为1cm。（测量速度前，请确认所用挡光片的宽度与设定挡光片的宽度二者相等。）在选择好“计时2”功能后，按下转换键小于1秒，设定显示的测量结果是时间还是速度（相应的时间单位s或速度单位cm/s前的指示灯点亮）。③转换键自上一次清零后开始记录算起，前20组测量结果会自动保留存储下来。按下转换键，可依次显示存储的测量结果。当显示“E×”时，提示将显示存入的第×组测量结果；每个测量结果显示约10s，然后再显示下一组测量结果。2．气垫导轨的水平调节导轨水平状态的调整是正确使用气垫导轨的重要内容，许多测量都需要先将导轨调整到水平状态。由于导轨较长，用一般的水平仪测量有困难，实验中常采用观察滑块的运动情况来判断导轨是否水平。调整气垫导轨水平有一定的难度，需要耐心地反复调整，常用的调整方法有下列两种。（1）静态粗调导轨通气后，滑块放置在导轨上的实验段内，调整用于水平调节的底脚螺丝（图3中的“9”），直到滑块保持不动，或稍有滑动，但不总是向一个方向滑动，则可认为导轨基本调平。（2）动态细调先使滑块以中等速度平稳地从左端向右端运动，分别记录先后通过两个光电门的时间间隔和，仔细调节底脚螺丝，使和十分接近。当导轨完全水平时，由于滑块与导轨间的粘滞阻力和滑块周围的空气阻力，使比稍长一些，一般应在第三位读数以下才有差别。再使滑块以同样速度从右端向左端运动，分别记录先后通过两个光电门的时间间隔和，和也应十分接近。这时可认为导轨调平。【实验内容与步骤】1．调整气垫导轨和光电计时系统调整气垫导轨水平，达到细调水平要求。调整光电计时系统处于正常工作状态。2．观察完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞的特点选取质量相等的两个滑块和质量不等的两个滑块，分别进行完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞，观察碰撞的特点。3．验证动量守恒定律（1）完全弹性碰撞①两个质量相等滑块的碰撞选取两个质量相等的滑块m1和m2，m1=m2，分别装有双遮光片和弹性碰撞器。在保证m1和m2碰撞时二者的遮光片均在光电门1和光电门2之间的条件下使两个光电门尽量靠近，m2置于两个光电门之间静止不动，并使碰撞前m2的遮光片尽量靠近光电门2。滑块m1轻轻推向滑块m2，使二者在两个光电门之间对心碰撞，碰撞后m1静止，m2向前运动，分别记录碰撞前m1经过光电门1的时间Δt11和碰撞后m2经过光电门2的时间Δt22。重复测量5次。②两个质量不等滑块的碰撞选取两个质量不相等的滑块m1和m2，m1>m2，分别装有双遮光片和弹性碰撞器。在保证m1和m2碰撞时二者的遮光片均在光电门1和光电门2之间的条件下使两个光电门尽量靠近，m2置于两个光电门之间静止不动，并使碰撞前m2的遮光片尽量靠近光电门2。滑块m1轻轻推向滑块m2，使二者在两个光电门之间对心碰撞，碰撞后m1和m2均向前运动，分别记录碰撞前m1经过光电门1的时间Δt11和碰撞后m1和m2经过光电门2的时间Δt12和Δt22。重复测量5次。保证m1>m2再改变m1质量三次，重复以上操作。（2）完全非弹性碰撞选取两个滑块m1和m2，分别装有双遮光片和尼龙搭扣。在保证m1和m2碰撞时二者的遮光片均在光电门1和光电门2之间的条件下使两个光电门尽量靠近，m2置于两个光电门之间静止不动，并使碰撞前m2的遮光片尽量靠近光电门2。滑块m1轻轻推向滑块m2，使二者在两个光电门之间对心碰撞，碰撞后m1和m2粘在一起向前运动，分别记录碰撞前m1经过光电门1的时间Δt11和碰撞后m1和m2经过光电门2的时间Δt22。重复测量5次。保证m2质量不变，再改变m1质量三次，重复以上操作。【设计性实验内容】1．实验内容在本实验装置的条件下，设计利用动量守恒定律测量物体（如滑块）质量的实验方案。2．设计要求（1）阐述基本实验原理和实验方法；（2）说明基本实验步骤；（3）进行实际实验测量；（4）说明数据处理方法，给出实验结果；（5）分析这一测量方法的优缺点。【预习要求】1．了解气垫导轨的基本构造和调整使用方法。2．了解光电计时系统的基本组成和原理，熟悉使用方法。3．光电计时测量系统中遮光片的作用是什么？常用的遮光片有哪两种？4．在气垫导轨上如何测量滑块运动速度？5．一个力学系统在什么条件下动量守恒？6．什么是弹性碰撞？什么是完全非弹性碰撞？在实验中如何实现？【数据记录与处理】1．根据实验内容自己设计数据表格，列表记录和处理数据。2．完全弹性碰撞计算每次碰撞前后的动量P0和P、动量百分差和恢复系数e，检验动量守恒定律和完全弹性碰撞的特性。在和两种情况下，分别任取其中的一组数据计算不确定度，检验关系式是否成立，得出实验能否验证动量守恒定律的结论。3．完全非弹性碰撞计算每次碰撞前后的动量P0和P、动量百分差和动能比R，检验动量守恒定律和完全非弹性碰撞的特性。任取其中的一组数据计算不确定度，检验关系式是否成立，得出实验能否验证动量守恒定律的结论。【注意事项】1．气垫导轨表面和气孔是精密加工而成的，在实验中必须倍加爱护，避免导轨受碰撞和摩擦而变形和损伤。2．滑块的内表面光洁度高，应防止划伤和碰坏。实验时滑块的速度不能太大，以免在与导轨两端缓冲弹簧碰撞后跌落而使滑块受损。3．没有给导轨通气时，不准在导轨上强行推动滑块。4．为了使被撞滑块在碰撞前静止，可用手轻扶滑块，直至快要碰撞时才放开。5．实验中推动滑块时要轻缓，应尽量避免滑块因碰撞而引起的振动。【思考与讨论】1．在调节导轨水平时，如果装有双遮光片的滑块通过两个光电门的时间完全相等，这时导轨是否水平？为什么？2．试分析验证动量守恒定律实验中产生误差的主要原因。3．碰撞实验中两个光电门之间的距离是大好还是小好？为什么？4．如果测量出碰撞后的动量总是小于碰撞前的动量，这说明什么问题？能否出现碰撞后的动量大于碰撞前的动量？5．在弹性碰撞情况下，当、时，两个滑块碰撞前后的动能是否相等？如果不完全相等，试分析产生误差的原因。6．为了验证动量守恒定律，应如何保证实验条件来减小测量误差？【参考文献】1．李高清，张广平，李本印．物理实验．甘肃：甘肃科学技术出版社，20032．陈群宇．大学物理实验．北京：电子工业出版社，20033．沈元华，陆申龙．基础物理实验．北京：高等教育出版社，20044．袁长坤．物理量测量．北京：科学出版社，2004【附录】光电计时的基本原理图6光电计时系统的基本原理平时用停表测量时间间隔，一般停表的最小读数为0.ls，如要测量更短的时间或更准确地计时，停表是不适用的。目前，常用石英晶体振荡器所产生的交流电信号作为计时标准，来组成精确的计时电路，基本原理如图6所示。图6光电计时系统的基本原理晶体振荡器可