大學(xué)物理碰撞打靶實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

碰撞打靶實(shí)驗(yàn)物體間的碰撞是自然界中普遍存在的的現(xiàn)象，從宏觀物體的一體碰撞到微觀物體的粒子碰撞都是物理學(xué)中極其重要的研究課題。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)兩個(gè)體的碰撞、碰撞前的單擺運(yùn)動(dòng)以及碰撞后的平拋運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用已學(xué)到的力學(xué)定律去解決打靶的實(shí)際問(wèn)題，從而更深入地了解力學(xué)原理，并提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。一 實(shí)驗(yàn)原理1. 碰撞：指兩運(yùn)動(dòng)物體相互接觸時(shí)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生迅速變化的現(xiàn)象。正碰是指兩碰撞物體的速度都沿著它們質(zhì)心連線方向的碰撞；其他碰撞則為斜碰。2. 碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒：兩物體碰撞前后的總動(dòng)量不變。3. 平拋運(yùn)動(dòng)：將物體用一定的初速度v0沿水平方向拋出，在不計(jì)空氣阻力的情況下，物體所作的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)平拋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為，（式t中是從拋出開(kāi)始計(jì)算的時(shí)間，x是物體在時(shí)間t內(nèi)水平方向的移動(dòng)距離，y是物體在該時(shí)間內(nèi)豎直下落的距離，是重力加速度）4. 在重力場(chǎng)中，質(zhì)量為的物體在被提高距離后，其勢(shì)能增加了5. 質(zhì)量為m的物體以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，其動(dòng)能為6. 機(jī)械能的轉(zhuǎn)化和守恒定律：任何物體系統(tǒng)在勢(shì)能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中，若合外力對(duì)該物體系統(tǒng)所做的功為零，內(nèi)力都是保守力（無(wú)耗散力），則物體系統(tǒng)的總機(jī)械能（即勢(shì)能和動(dòng)能的總和）保持恒定不變。7. 彈性碰撞：在碰撞過(guò)程中沒(méi)有機(jī)械能損失的碰撞。8. 非彈性碰撞：碰撞過(guò)程中的機(jī)械能不守恒，其中一部分轉(zhuǎn)化為非機(jī)械能（如熱能）。二 實(shí)驗(yàn)儀器碰撞打靶實(shí)驗(yàn)儀如圖1所示，它由導(dǎo)軌、單擺、升降架（上有小電磁鐵，可控?cái)嗤ǎ?、被撞小球及載球支柱，靶盒等組成。載球立柱上端為錐形平頭狀，減小鋼球與支柱接觸面積，在小鋼球受擊運(yùn)動(dòng)時(shí)，減少摩擦力做功。支柱具有弱磁性，以保證小鋼球質(zhì)心沿著支柱中心位置。圖1 碰撞打靶實(shí)驗(yàn)儀升降架上裝有可上下升降的磁場(chǎng)方向與桿平行的電磁鐵，桿上的有刻度尺及讀數(shù)指示移動(dòng)標(biāo)志。儀器上電磁鐵磁場(chǎng)中心位置、單擺小球（鋼球）質(zhì)心與被碰撞小球質(zhì)心在碰撞前后處于同一平面內(nèi)。由于事先二球質(zhì)心被調(diào)節(jié)成離導(dǎo)軌同一高度，所以，一旦切斷電磁鐵電源，被吸單擺小球?qū)⒆杂上聰[，并能正中地與被擊球碰撞。被擊球?qū)⒆髌綊佭\(yùn)動(dòng)，最終落到貼有目標(biāo)靶的金屬盒內(nèi)。小球質(zhì)量可用電子天平稱(chēng)衡。三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）必做內(nèi)容：1. 調(diào)整導(dǎo)軌水平，如果不水平可調(diào)節(jié)導(dǎo)軌上的兩只調(diào)節(jié)螺釘。2. 用電子天平測(cè)量被撞球（直徑和材料均與撞擊球相同）的質(zhì)量，并以此也作為撞擊球的質(zhì)量。3. 根據(jù)靶心的位置，測(cè)出，估計(jì)被撞球的高度，并據(jù)此算出撞擊球的高度0（預(yù)習(xí)時(shí)應(yīng)自行推導(dǎo)出由和計(jì)算高度0的公式）4. 通過(guò)繩來(lái)調(diào)節(jié)撞擊球的高低和左右，使之能在擺動(dòng)的最低點(diǎn)和被撞球進(jìn)行正碰。5. 把撞擊球吸在磁鐵下，調(diào)節(jié)升降架使它的高度為0，細(xì)繩拉直。6. 讓撞擊球撞擊被撞球，記下被撞球擊中靶紙的位置X。（可撞擊多次求平均），據(jù)此計(jì)算碰撞前后總的能量損失為多少？應(yīng)對(duì)撞擊球的高度作怎樣的調(diào)整，才可使擊中靶心？（預(yù)習(xí)時(shí)應(yīng)自行推導(dǎo)出由X和y，及計(jì)算高度差h-h0=Dh的公式）7. 對(duì)撞擊球的高度作調(diào)整后，再重復(fù)若干次試驗(yàn)，以確定能擊中靶心的 h 值；被撞球擊中靶紙的位置后記下此 h 值。8. 觀察二小球在碰撞前后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析碰撞前后各種能量損失的原因。（二）選做內(nèi)容：觀察兩個(gè)不同質(zhì)量鋼球碰撞前后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測(cè)量碰撞前后的能量損失。用直徑、質(zhì)量都不同的被撞球，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果并討論之。（注意：由于直徑不同，應(yīng)重新調(diào)節(jié)升降臺(tái)的高度，或重新調(diào)節(jié)細(xì)繩）四思考題 1. 如兩質(zhì)量不同的球有相同的動(dòng)量，它們是否也具有相同的動(dòng)能？如果不等，哪個(gè)動(dòng)能大？2. 找出本實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生Dh 的各種原因（除計(jì)算錯(cuò)誤和操作不當(dāng)原因外）。3. 在質(zhì)量相同的兩球碰撞后，撞擊球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與理論分析是否一致？這種現(xiàn)象說(shuō)明了什么？4. 如果不放被撞球，撞擊球在擺動(dòng)回來(lái)時(shí)能否達(dá)到原來(lái)的高度？這說(shuō)明了什么？5. 此實(shí)驗(yàn)中，繩的張力對(duì)小球是否做功？為什么？6. 定量導(dǎo)出本實(shí)驗(yàn)中碰撞時(shí)傳遞的能量e和總能量 E的比ee/E與兩球質(zhì)量比m =m1/m2的關(guān)系。7. 本實(shí)驗(yàn)中，球體不用金屬，用石蠟或軟木可以嗎？為什么？實(shí)驗(yàn)原理：（要求同學(xué)們能夠自己推導(dǎo)有關(guān)計(jì)算公式，自行設(shè)計(jì)并畫(huà)出實(shí)驗(yàn)原理圖）以下僅為參考：1撞擊球下擺至最低點(diǎn)過(guò)程，機(jī)械能守恒： （1） 2撞擊球與被撞球發(fā)生完全彈性碰撞（正碰），動(dòng)量守恒： ， （2） 3被撞球以初始速率做平拋運(yùn)動(dòng)： (3)（1）、（2）、（3）式得： （4） 式中，為靶心位置，為被撞球的高度，為撞擊球與被撞球高度差的理