大学物理仿真实验报告教程

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1、实验名称:碰撞过程中守恒定律的研究实验日期：实验人：1.实验目的: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。2.实验仪器和使用:实验仪器:主要有气轨、气源、滑块、挡光片、光电门、游标卡尺、米尺和光电计时装置等。1.气垫导轨是以空气作为润滑剂，近似无摩擦的力学实验装置。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

2、，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。2.光电计时系统由光电门和数字毫秒计或电脑计时器构成。光电门安装在气轨上，时间由数字毫秒计或电脑计时器测量。3.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。 3.实

3、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方向上守恒，即=恒量(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

4、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，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△p/==(9)能量损失率为△E/=(10)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

5、能不守恒。(11)在实验中，让v20=0，则有(12)v=(13)动量损失率:△p/=1-(14)动能损失率:△E/=(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e=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0

6、撞状态下的守恒定律（1）取两滑块m1、m2，且m1>m2，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Δt10和经过第二个光电门的时间Δt1，以及m2通过第二个光电门的时间Δt2，重复五次，记录所测数据，数据表格自拟，计算△p/p、△E/E。（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）

7、a=0时，测量m、m’、me、s、v1、v2，计算势能增量mgs和动能增量1/2()()，重复五次测量，数据表格自拟。（2）a不等于0时，（即将导轨一端垫起一固定高度h，sinα＝h/L），重复以上测量。3.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5.总结(误差分析,建议)由三张表格可以看出1.在完全弹性碰撞，完全非弹性碰撞，一般弹性碰撞时△p/p在误差范围内均约等于0。由此可以证明系统动量守恒。2.第一张表格(即完全弹性碰撞)可以看到△E/E约等于0，由此可以看出完全弹性碰撞时系统能量基本没

8、有损失。有二，三张表格的△E/E可以看出一般弹性碰撞与完全非弹性碰撞市系统能量均有损失，并且完全非弹性碰撞时能量损失最大。3.根据数据显示，完全弹性碰撞时的恢复系数最大，接近于1。完全非弹性碰撞时的恢复系数最小，接近于0。建议：实验中只有“三种碰撞状态下的守恒定律”的研究，而没有机械能守恒定律的相关动画。建议下次改进。6.思考题1．碰撞前后系统总动量不相等，试分析其原因。