碰撞过程中冲量的研究

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1、实验碰撞过程中冲量的研究两物体发生碰撞，在短暂的时间内速度有很大的变化。由动力学基本原理可知，在碰撞的时间间隔内物体相互的作用力将非常大。称这种在短暂时刻发生远大于普通力的力称为碰撞力。碰撞可分为完全弹性碰撞，一般碰撞和完全非弹性碰撞。碰撞力的冲量称为碰撞冲量，它是过程量，表述了对物体作用一段时间的积累效应，是改变物体机械运动状态的原因。本实验采用动力学小车系统和传感器技术实现冲量的实时测量。【实验目的】1、理解冲量的物理意义，掌握测量冲量的方法。2、验证动量定理。3、比较完全弹性碰撞、一般碰撞和完全非弹性碰撞过程中的冲量变化。【实验仪器】计算机（含Datastu

2、dio软件）、PACSO物理实验组合仪、数据采集接口器。【实验原理】当一个物体撞击到一个障碍物，随着撞击的发生作用到物体上的力会变化。为了描述碰撞瞬间的作用，引入冲量的概念。冲量I是作用力F在时间t内的积累效果。不是瞬时效果。它描述的是作用力在一段时间内总的“作用”多大和方向。(1)冲量取决于力和时间两个因素，较大的力在较短的时间内的积累效果，可以和较小的力在较长时间内的积累效果相同。为了减小碰撞过程的冲击力，我们通常采用各种方法增大碰撞时间。如较大的驾驶室空间，安全气囊，车内的安全带，弹性绳索，有弹性的安全网等。物体在一个过程始末的动量变化量等于它在这个过程中所

3、受的力的冲量，这个关系叫做动量定理。(2)其中m为物体的质量，Vi和Vf分别为物体碰撞前后的物体的速度。即冲量等于物体动量的改变量，不论是完全弹性碰撞、一般碰撞还是完全非弹性碰撞。【仪器介绍】实验装置如图1所示。1.20米的水平导轨的一端为运动传感器，用于测量动力学小车的运动情况，如小车的位移，速度和加速度随时间的变化。导轨的另一端为力传感器，用于测量动力学小车碰撞过程中的受力情况。力传感器的测力端有弹簧、磁体（和小车的磁体同极）、金属和橡皮泥，分别用于模拟完全弹性碰撞、一般碰撞和完全非弹性碰撞。图1实验装置图，水平导轨左端为力传感器，中间为动力学小车，导轨右端为

4、运动传感器【实验内容和步骤】一、基础部分1、用电子秤测量出动力学小车的质量m。2、调整导轨底部螺丝使导轨保持水平，在力传感器上安装弹簧，把小车轻置于水平导轨上方，使之能与弹簧水平碰撞。3、把运动传感器的输入插头接到数据采集接口器的1，2端口。把力传感器的输入插头接到数据采集接口器的A端口。如图2所示。图2运动传感器和力传感器和数据采集接口器的接线4、打开电脑中的DataStudio软件，选择“创建实验”。点击实验设置窗口的数据采集接口器的A端口，选取力传感器，其中采样率选取200；而后打开数据采集接口器的1，2端口，选取运动传感器，其中采样率选取40。如图3。点击

5、“校正传感器”，分别校正两个传感器，而后点击确认。点击“采样选取”进行取样设置：延迟启动窗口可设置当“位置”“高于”0.7m时启动，自动停止窗口可设置当“位置”“低于”0.7m时停止。图3实验设置窗口的数据采集接口器1、把主窗口左下“显示”中的“图表”左键拖到左上“数据”中的“力，通道”，此时主窗口右边出现一个横坐标为时间，纵坐标为力的坐标系。再把“数据”中的“速度，通道1和2”左键拖到右边的坐标系，此时主窗口右边同时出现两个坐标系（力-时间，速度-时间）。2、按下力传感器侧面的“tare”按钮，使得力传感器归零。注意每次碰撞前力传感器都需要归零。点击软件中的“启

6、动”，然后给动力学小车一个初速度，使之与力传感器碰撞。此时主窗口中显示出整个碰撞过程中力和速度随时间的变化情况。在力-时间坐标系中点击主窗口中“Σ”，选中全部显示和区域即可获得出冲量I的大小。如图4。从速度-时间坐标系可获得小车碰撞前后的速度大小，计算出动量改变量∆P。记录下碰撞过程中力-时间和速度-时间的变化曲线。计算冲量和动量改变量之间的相对不确定度。图4碰撞后速度和力随时间的变化3、卸下力传感器的弹簧，换上磁体或金属或橡皮泥，重复上诉实验内容，得出相应的实验图形曲线，计算其冲量和动量改变量。实验数据记录表小车质量m(kg)碰撞物1()碰撞物2()Vi(m/s

7、)Vf(m/s)ΔP(kg.m/s)I(kg.m/s)Vi(m/s)Vf(m/s)ΔP(kg.m/s)I(kg.m/s)123456【注意事项】1、测量过程中，保持水平导轨水平。2、力传感器最大作用力小于50N。3、每次碰撞前力传感器要归零。【预习题】1、碰撞的定义。2、碰撞的分类，不同碰撞过程中动量和动能如何变化？3、解释安全气囊，车内的安全带的作用。【思考题】1、为什么计算得到的动量变化与测得的冲量并不完全相同，说出可能的原因?2、分析动力学小车在完全弹性碰撞、一般碰撞和完全非弹性碰撞过程中，动量和冲量的关系。