氣墊導(dǎo)軌上驗證動量守恒定律

1、實驗二在 氣墊導(dǎo)軌上驗證動量守恒定律動量是描述物體運動地一個非常重要地物理量. 動量守恒 , 是最早發(fā)現(xiàn)地一條守恒定律. 如果一個系統(tǒng)不受外力或所受外力地矢量和為零, 那么這個系統(tǒng)地總動量保持不變, 這個結(jié)論叫做動量守恒定律. 動量守恒定律是自然界中最重要最普遍地守恒定律之一, 它既適用于宏觀物體, 也適用于微觀粒子；既適用于低速運動物體, 也適用于高速運動物體. 動量守恒定律與能量守恒定律. 角動量守恒定律是自然界地普遍規(guī)律, 在微觀粒子作高速運動（速度接近光速）地情況下, 牛頓定律已經(jīng)不適用, 但是以上定律仍然適用. 現(xiàn)代物理學(xué)研究中, 動量守恒定律成為一個重要地基礎(chǔ)定律 . 它是一個實驗

2、規(guī)律, 也可用牛頓第三定律和動量定理推導(dǎo)出來.實驗?zāi)康? 用彈性碰撞和完全非彈性碰撞情況下驗證動量守恒定律.實驗儀器QDG-1型氣墊導(dǎo)軌實驗設(shè)備一套.JMS-1計時計數(shù)測速儀一臺（請在實驗之前認真閱讀附錄1 和附錄 2 地相應(yīng)使用說明書）.實驗原理在水平導(dǎo)軌上放兩個滑行器, 以兩個滑行器作為系統(tǒng), 在水平方向不受外力 , 兩個滑行器碰撞前后地總動量應(yīng)保持不變. 設(shè)兩個滑行器地質(zhì)量分別為M1和M2,相碰前地速度分別為 V1和V2,相碰后地速度為V1'和V2',則根據(jù)動量守恒定律有:M1V1+M2V2=M1 V什M2V2只要測出兩個滑行器在碰撞前后地速度，稱出質(zhì)量，即可驗證動量守

3、恒定律.實驗內(nèi)容1 .彈性碰撞1.1 實驗裝置見圖1圖1彈性碰墻冰裝置示意圖1.2 在導(dǎo)軌地安裝滑輪端裝上彈射架，兩光電門分別置于導(dǎo)軌30cm和80cm處,調(diào)整導(dǎo)軌地水平；1.3 兩個滑行器上分別安裝上1cm地擋光片，令其一在滑行器M1兩端各 安裝彈性架.1.4 用天平分別稱出兩個滑行器地質(zhì)量M1和M2;1.5 將計時器功能選擇在“碰撞”檔.令兩個滑行器放在導(dǎo)軌兩端處作 為運動起始點.用手同時推動兩個滑行器使其相向運動，讓它們分別通過 兩個光電門地中間發(fā)生碰撞，發(fā)生碰撞后，各自朝相反地方向運動，再次 分別通過兩個光電門，此時計時器會自動測出4個t1.t1 ' .t2.t2 '時

4、 間.（詳見J0201-CC或J0201-CHJ型數(shù)字計時器說明書）.1.6 計算出兩滑行器碰撞前后通過兩個光電門地相對應(yīng) V1.V1' .V2.V2 '地速度.1.7 將上述地測定地速度和計算地滑行器地質(zhì)量代入（4.1 ）式中計算，在誤差范圍內(nèi)，有M1V1+M2V2=M1V+M2V2式成立，即驗證了動量守恒定律.2 .完全非彈性碰撞2.1 實驗裝置見圖2l/l/ll/l/l/l/l/l/f圖2完全非彈性碰瘴實驗裝置示意圖«圖72.2 在導(dǎo)軌地兩端各自裝上彈射器，光電門分別置于導(dǎo)軌30cm口 80cmt, 調(diào)整導(dǎo)軌地水平.2.3 兩個滑行器上分別安裝上1cm地擋光片和

5、一端裝上搭扣.2.4 用天平分別稱出兩個滑行器地質(zhì)量 M1和M2.2.5 將計時器功能選擇在“間隔計時”檔，令其一滑行器M2放在導(dǎo)軌中 間處于靜止狀態(tài)（即兩個光電門中間處），另一滑行器M1放在導(dǎo)軌地進 氣口端.用手推動滑行器M1向其滑行器M2方向運動.通過其一光電門后， 自動測出時間.與滑行器M2發(fā)生完全非彈性碰撞后，兩個滑行器同一方 向繼續(xù)運動通過另一光電門后，自動測出時間.立即用手輕輕制止滑行器 運動.2.6 算出兩滑行器在完全非彈性碰撞前后通過光電門地對應(yīng)V1.V2地速度.2.7 將上述地測定和計算出滑行器完全非彈性碰撞前總動量為M1V1和完全非彈碰撞后總動量（M1+M2 V2,在誤差范

6、圍內(nèi)有 M1V1= （M1+M2 V2式成立.即驗證了動量守恒定律.思考題1 .根據(jù)實際情況分析實驗中引起測量誤差地主要因素是什么?2 .請說明動量守恒地條件？請舉例說明動量守恒地實際應(yīng)用?附錄1QDG-1 型氣墊導(dǎo)軌使用說明書使用之前請務(wù)必仔細閱讀使用說明書1 .概述氣墊導(dǎo)軌是利用氣墊原理進行工作地，它利用微音氣泵將壓縮空氣打 入導(dǎo)軌地空腔里，再由導(dǎo)軌表面按一定規(guī)律分布地許多小孔中噴射出，在導(dǎo)軌平面與滑行器內(nèi)表面之間形成一個薄空氣層一一氣墊，滑行器被氣墊托起來懸浮在導(dǎo)軌上面，滑行器在氣軌表面運動過程中，只受到很小地 空氣粘滯阻力地影響，能量損失極小，故滑行器地運動可以近似地看作是 無摩擦阻力

7、地運動.極大地減少了力學(xué)實驗中由于摩擦力引起地誤差，使實驗結(jié)果基本上接近理論值，提高了實驗精度，實驗現(xiàn)象真實直觀，實驗 效果明顯，易為學(xué)生接受.氣墊導(dǎo)軌與計時器及微音氣泵配套使用，可對各種力學(xué)物理量進行 定量測定，對力學(xué)規(guī)律進行驗證，是教師演示.學(xué)生分組實驗地理想儀器.2 .技術(shù)性能1. 導(dǎo)軌工作面：QDG-2-1.2 型長度 1200mmQDG-2-1.5 型長度 1500mmQDG-2-2.0 型長度 2000mm2. 導(dǎo)軌縱向豎直平面內(nèi)地直線度：全長w 0.10mm任意 400mm度 士 0.05mm;3. 導(dǎo)軌工作面地夾角：90° +0.1 °；4. 導(dǎo)軌工作面地表

8、面粗糙度：Ra3.25. 導(dǎo)軌腳距：QDG-2-1.2 型：600mmQDG-2-1.5 型：800mmQDG-2-2.0 型：1100mm.6. 噴氣孔孔徑：0.8mm；7. 導(dǎo)軌進氣口地外徑：0 30mm8. 滑行器：QDG-2-1.2型：長度121mm量約155g;QDG-2-1.5 型：長度 156mm質(zhì)量約 200g;QDG-2-2.0 型：長度 242mm質(zhì)量約 310g;9. 滑行器浮高：在氣體壓強不小于5.8kPa, 最大承載質(zhì)量不小于3 倍滑行器質(zhì)量條件下, 不小于0.10mm；10. 工作環(huán)境溫度：0 c40 C ；11. 相對濕度：不大于90%R；H12. 要求氣源壓強：

9、不小于5.8kPa.三 . 儀器特點. 結(jié)構(gòu) . 配套1. 導(dǎo)軌是氣墊導(dǎo)軌地主體, 采用優(yōu)質(zhì)合金鋁型材制成, 輕便 . 機械強度高,特殊地結(jié)構(gòu)設(shè)計更增加了它地機械強度, 長期使用不易變形, 出廠前由精密機加工保證了它地直線度.2. 導(dǎo)軌兩端堵板為可拆卸式, 便于清洗導(dǎo)軌內(nèi)腔.3. 導(dǎo)軌兩側(cè)均可安裝光電門, 便于學(xué)生對實驗現(xiàn)象地觀察. 見“圖一”.4. 儀器實驗附件結(jié)構(gòu)見“表一”.四 . 使用 . 維護和保養(yǎng)須知1. 氣墊導(dǎo)軌地附件比較多, 安裝前必須認真閱讀一下說明書及附圖1, 認識每個附件地用途及安裝位置.2. 氣墊導(dǎo)軌地實驗精度高, 應(yīng)選用穩(wěn)固. 平整地實驗桌放置儀器, 放置時先將調(diào)平架用

10、兩個螺釘緊固在導(dǎo)軌底部, 安裝滑輪地一端伸出桌面, 便于實驗 , 另一端通過波紋軟管與氣源相接. 在導(dǎo)軌支腳下面墊上墊腳, 墊腳地平面一側(cè)貼在桌面上, 墊腳和調(diào)平螺釘?shù)丶舛朔虐疾壑?3. 滑輪安裝在導(dǎo)軌前端地堵板上, 使用前應(yīng)調(diào)整軸尖要適度, 使滑輪轉(zhuǎn)動靈活 , 并滴加少許鐘表油, 使之潤滑 .4. 氣源接通電源和導(dǎo)軌, 使空氣進入導(dǎo)軌地空腔里后用手指貼在導(dǎo)軌地工作面逐個檢查氣孔是否暢通，如果有被堵塞氣孔，用0 0.5mm地鋼絲針清除堵塞物, 務(wù)必使每個氣孔暢通. 為避免實驗受振動影響, 氣源應(yīng)放在遠離實驗桌處.5. 有些實驗滑行器要重復(fù)地從同一位置開始運動, 可用起始擋板定位.6. 實驗中

11、, 滑行器地滑行速度不宜過小和過大, 速度以 50cm/s 左右為宜 .釘螺節(jié)調(diào)平水輪滑圖1 .7片光擋碼祛 堵端右 板擋止起架支門電光器行滑器射彈 堵端左簧彈子振扣搭 鉤掛簧彈子振片光擋碼祛墊腳及墊高塊栓螺角六附件盒布局7. 作彈性碰撞實驗時用彈射器.作完全非彈性碰撞實驗時,將附件中地搭扣分別安裝在兩個滑行器上, 碰撞時兩個滑行器滑行通過搭扣粘在一起運動 .8. 導(dǎo)軌和滑行器工作面地直線度精度較高, 為此在搬運及安裝使用中, 嚴禁磕碰 . 受壓和撞擊, 導(dǎo)軌在未通氣前, 嚴禁用滑行器沿軌面滑動摩擦, 以防損傷工作面.9. 每次實驗后, 要將導(dǎo)軌和滑行器地工作面用干凈軟布擦試干凈. 導(dǎo)軌在存放

12、時豎直掛起存放為佳, 不要放置在潮濕或有腐蝕性氣體地地方.五 . 實驗方法1. 氣墊導(dǎo)軌是物理力學(xué)教學(xué)中教師學(xué)生不可缺少地實驗儀器. 配套上海實博實業(yè)有限公司所生產(chǎn)各種型號地智能計時計數(shù)器. 低噪音氣泵, 可以完成新教材中所規(guī)定很多地力學(xué)實驗.2. 導(dǎo)軌地調(diào)平：導(dǎo)軌調(diào)整水平是實驗前地重要準備工作, 要細致耐心地反復(fù)調(diào)整, 可按下列兩種方法中任一種方法調(diào)平導(dǎo)軌：a. 靜態(tài)調(diào)平法：導(dǎo)軌接通微音氣泵, 滑行器置在導(dǎo)軌某處, 用手輕輕地把滑行器壓在導(dǎo)軌上, 再輕輕地放開, 觀察滑行器地運動狀態(tài). 連續(xù)做幾次 , 如果滑行器在導(dǎo)軌上靜止不動, 或稍有左右移動, 則導(dǎo)軌是水平地；如滑行器都向同一方向運動,

13、 表明導(dǎo)軌不平. 認真仔細調(diào)節(jié)水平螺釘, 直到滑行器在導(dǎo)軌任意位置上基本保持靜止不動, 或稍有滑動, 但不總是向同一個方向滑動, 即可認為已基本調(diào)平. 一般要在導(dǎo)軌上選取幾個位置做這樣地調(diào)節(jié) .b. 動態(tài)調(diào)平法：將氣軌與計時器配合進行調(diào)平, 儀器接通電源, 儀器功能選擇在“間隔計時”檔上，兩個光電門間距不小于30cm卡裝在導(dǎo)軌上, 在導(dǎo)軌兩端裝上彈射器，滑行器裝上擋光片（如1cm一種），給氣軌通氣， 讓滑行器以一定地速度從導(dǎo)軌地左端向右端運動（或者滑行器在導(dǎo)軌以一定速度向右運動），先后通過兩個光電門G1和G2,計時器就分別計下 了滑行器裝上擋光片L寬度，通過兩個光電門地時間4 t1和AtZ.若

14、Atl >At2,即滑行器通過 G2地光電門時間短，表明滑行器運動速度 加快，導(dǎo)軌左高右低，滑行器做加速運動；若ati <At2,表明滑行器做減 速運動，導(dǎo)軌左低右高，細心調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)螺釘，11與At2地時間差值 盡量小，直至tl = 412,但由于受空氣地粘滯阻力地影響，1 At2, 只要Atl比At2稍微大些，即可視為導(dǎo)軌已基本調(diào)平了 .個人收集整理資料,僅供交流學(xué)習(xí),勿作商業(yè)用途附錄2JMS-1計時計數(shù)測速儀(存貯式數(shù)字毫秒計)使用說明書一.概述JMS-1計時計數(shù)測速儀具有存儲功能，時基精度高(微秒級)地測量時 間間隔地數(shù)字計量儀器.它可做計數(shù).計時等使用.本儀器采用 MCS

15、-51單片微型計算機為核心，智能度高，數(shù)據(jù)存儲和 處理能力強，操作簡便，小數(shù)點.單位和量程自動定位.換檔，且自動進入 四舍五入智能化顯示數(shù)據(jù).除了具有一般計時器地功能外，與QDG-2型氣 墊導(dǎo)軌.自由落體實驗儀.轉(zhuǎn)動慣量實驗儀等配合使用，還能測量速度.加 速度.重力加速度.角加速度.周期等物理量和碰撞等實驗，并直接顯示實 驗地速度和加速度及角加速度地值.二.技術(shù)性能1 .工作條件電源 :AC. 220x (1±10%) V,50x (1±5%) Hz.環(huán)境溫度：-10 C-+40C .相對濕度：不大于85% (40C).工作時間：連續(xù)工作.2 .外形尺寸：約 230mmx2

16、10mmx100mm1:約 2.5kg.3 .技術(shù)參數(shù)：見下表項目JMS-1 型1時基精度石英晶體振蕩器采用6MHz1MHzt 10Hz2數(shù)據(jù)顯示五位高為16.24mm高亮度LED數(shù)碼顯示四個LED單位顯示，八個LED功目匕指小'，3計數(shù)范圍0999994計時范圍0.00ms 99999s5速度范圍0.00 999cm/s6加速度范圍0.00 999cm/s27周期0.00ms 99999s8時標周期0.1ms,1ms,10ms,100ms,1s9時標幅度不小于5V10直流穩(wěn)壓輸出6V/0.5A11光電門2個三.面板及后蓋1 .面板示意圖及說明1:見下圖/仃己DIOETAL1）數(shù)據(jù)顯示

17、窗口：顯示測量數(shù)據(jù).光電門故障信息等2）單位顯示：s.ms.cm/s.cm/s2或不顯示（計數(shù)時不顯示單位）.3）功能:C一計數(shù) a 加速度S1 （ （3）一角加速度g一重力加速度S2 一間隔計時Col 一碰撞T一振子周期Sgl 一時標4）【功能】鍵：功能選擇.5）【清零】鍵：清除所有實驗數(shù)據(jù).6）【停止】鍵：停止測量，進入循環(huán)顯示數(shù)據(jù)或鎖存顯示數(shù)據(jù).7）【6V/同步】鍵：與自由落體試驗儀或斜梢軌道配合使用.（使用方法見（四.7）2 .后蓋示意圖說明2:見下圖1）保險管座：熔斷絲管管座.2）外接地線接線柱；3）自由落體接口插座：與自由落體試驗儀配合，測重力加速度用.也可與 斜梢軌道配合測重力加

18、速度，詳見本說明四.7條.4）檔光框?qū)挾冗x擇開關(guān)：配合氣墊導(dǎo)軌實驗所用擋光框使用.（使用方法見（五.5）5）電源輸入：交流220V輸入.6）電源開關(guān);7)時標輸出;8) 2號光電門輸入插座；9) 1號光電門輸入插座.10) S1與(3功能轉(zhuǎn)換鍵四.操作使用說明1 .實驗前準備工作，光電門和顯示器件地自檢.1.1 實驗前準備工作將兩個光電門插頭插入1號.2號光電門插座；接上220V交流電源，打開電源開關(guān)；開機后自動進入自檢狀態(tài)；依次按【功能】鍵，選擇需要地實驗功能.循環(huán)順序如下：自檢> c > S (?) -> S2 -> t a agc Col -s Sgl(0.1ms

19、) s Sgl(1ms) Sgl(10ms) Sgl(100ms) S Sgl(1s) h<«41.2 光電門和顯示器件地自檢開機或按【功能】鍵選擇自檢功能，都將進入自檢狀態(tài)：當(dāng)光電門無 故障時，屏幕循環(huán)顯示各顯示器件；當(dāng)光電門發(fā)生故障時(如：接觸不良. 損壞.遮擋光電門或光電門輸入電路出現(xiàn)故障等)，屏幕將閃爍著該光電 門地號碼，不做循環(huán)顯示工作.這時,必須先排除故障，程序才能繼續(xù)運 行.2 . “C 一計數(shù)用擋光片對任意一個光電門遮光一次，屏幕顯示即累加一個數(shù).按【停止】鍵，立即鎖存數(shù)值，停止計數(shù).按【清零】鍵，清除所有實驗數(shù)據(jù)，又可重新做實驗.3.s1與（3共用一個鍵，兩個

20、功能通過后蓋地“ s1. B”完成功能轉(zhuǎn)換.3.1. “S1” 一遮光計時用擋光片對任意一個光電門依次遮光，屏幕依次顯示出遮光次數(shù)和遮光時間.可連續(xù)作1255次實驗，但只存儲前10個數(shù)據(jù).按【停止】鍵，立即循環(huán)顯示存儲地時間數(shù)據(jù).按【清零】鍵，清除所有實驗數(shù)據(jù)，又可重新做實驗.3.2. “ （3 ” 一測角加速度功能單位“ rad/s2 ”擋擋擋擋光第1圈 光第2圈 光第3圈第n圈光；0# I1#2#tn/ Bn-1n#'t3/B 2127B 1*11圖“ B ”功能為了配合轉(zhuǎn)動慣量測定儀測定物體地轉(zhuǎn)動慣量，在原設(shè)備功能地基礎(chǔ)上增加了測角加速度“ B ”功能，使用“ （3 ”功能時,只

21、用1號光電門 （2號光電門可以閑置），配合轉(zhuǎn)動剛體測角加速度進行實驗.根據(jù)測轉(zhuǎn)個人收集整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)，勿作商業(yè)用途動慣量實驗地要求在儀器后蓋調(diào)節(jié)間隔角度360°或180° .光電門首次擋光啟動機內(nèi)計時器. 轉(zhuǎn)動剛體上地擋光體多次通過光電門進行擋光, 屏幕及時顯示擋光次數(shù)地號碼（1.2.3 ）按 停止 鍵后 , 屏幕循環(huán)顯示擋光地次數(shù)n. 和 n+1 段時間和.停止鍵是屏幕顯示切換鍵，屏幕顯示可在t n和B n值之間切換.按“清零”鍵 , 清除所有實驗數(shù)據(jù), 又可重新做實驗.4. “S2' 一間隔計時用擋光框?qū)θ我庖粋€光電門依次擋光, 屏幕依次顯示出擋光間隔地

22、次數(shù)和擋光間隔地時間.可連續(xù)作1255次實驗，只存儲前10個數(shù)據(jù).按【停止】鍵后, 先依次顯示測量地間隔時間數(shù)據(jù), 再依次顯示與之對應(yīng)地速度數(shù)據(jù), 并反復(fù)循環(huán).按【清零】鍵, 清除所有實驗數(shù)據(jù), 又可重新做實驗.5. “T” 一測振子周期用彈簧振子或單擺振子配合一個光電門和一個擋光片作實驗.（擋光片寬度不小于3mm）在振子上粘上輕小地擋光片, 使擋光片通過光電門作簡諧振動.屏幕僅顯示振動次數(shù)，待完成了第n （1-255任選）個振動之后（既屏幕顯示出n+1） , 立即按【停止】鍵. 這時 , 屏幕便自動循環(huán)顯示n 個振動周期及n次振動時間地總和.當(dāng)n>10時只顯示前10個振動周期和n次振動

23、時間地總和.6. “a” 一測加速度配合氣墊導(dǎo)軌. 擋光框和兩個光電門作運動體地加速度實驗. 運動體上地擋光框通過兩個光電門之后自動進入循環(huán)顯示：t1: 擋光框通過第一個光電門地時間（不是指1 號光電門 , 是指實驗地順序） ；t2: 擋光框通過第一個光電門至第二個光電門之間地間隔時間；t3: 擋光框通過第二個光電門地時間；V1: 擋光框通過第一個光電門時地速度；V2: 擋光框通過第二個光電門時地速度；a: 擋光框從第一個光電門到第二個光電門之間地運動加速度. 按 【清零】鍵 , 清除所有實驗數(shù)據(jù), 又可重新做實驗.7. “g” 一測重力加速度7 1 配合自由落體實驗儀作實驗a. 把自由落體實

24、驗儀地地光電門插頭插入后蓋上地自由落體插座.b. 拔下 1 號光電門和2 號光電門插座上地光電門.c.接上220V交流電源，打開電源開關(guān).d.按【功能】鍵，選擇“g”檔.e.把【6V/同步】鍵撥到“6V處，這時自由落體實驗儀地電磁鐵電源被接通 , 吸住鋼球 .f. 按【清零】鍵, 清除數(shù)據(jù).g.把【6V/同步】鍵撥到“同步”處，電磁鐵斷電，鋼球被釋放，計時器同步計時 .h. 待鋼球通過其中一個光電門后, 實驗即自行結(jié)束, 自動進入循環(huán)顯示2個人收集整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)，勿作商業(yè)用途個實驗數(shù)據(jù)，分別為：t1:鋼球自0cm處下落到光電門所用地時間;t2:鋼球通過光電門地時間.注意！自由落體地實驗

25、只需要一個光電門，必須使另一個光電門保持光照 狀態(tài)才能正常工作L圖3此圖是從本儀器外向內(nèi)看自由落體插座地接線位置按【清零】鍵，清除所有實驗數(shù)據(jù)，又可重新做實驗.7. 2.配合斜梢軌道因有地斜梢軌道原采用PMO集成電路地連接方式，應(yīng)改接CMO齒式, 所以應(yīng)先把斜梢軌道上兩只光電門中光敏三極管8. “Col” 一完全彈性碰撞實驗適用于兩物體分別通過兩個光電門相向碰撞 ，且碰撞后分別反向通過兩個光電門地完全彈性地碰撞實驗（其它非完全彈性地碰撞實驗可用“S2功能完成）.配合氣墊導(dǎo)軌作完全彈性碰撞實驗 ，使用兩個擋光框和兩個光電門作實驗.兩個擋光框完成完全彈性碰撞實驗之后自動進入循環(huán)顯示4個時間數(shù)據(jù)和4個速度數(shù)據(jù)分別為：t1