大學物理仿真實驗報告碰撞實驗研究

大學物理仿真實驗報告實驗名稱碰撞實驗研究學院專業(yè)物理學組別學號姓名實驗時間摘要：碰撞實驗在物理實驗中表現(xiàn)為氣墊導軌上兩滑塊的相互作用。完全彈性碰撞下，兩滑塊碰撞前后無勢能變化，系統(tǒng)的動量守恒，機械能也守恒。高中物理通過以下裝置進行實驗，再運用平拋運動，運動學等相關理論推導，得到動量守恒定律。關鍵詞：碰撞、機械能守恒、動量守恒實驗儀器：本實驗所用到的實驗儀器有氣墊導軌、數(shù)字毫秒計、滑塊、天平等。一、實驗原理如果一個系統(tǒng)所受的合外力為零，則該系統(tǒng)總動量保持不變，這一結論稱為動量守恒定律。本實驗研究兩滑塊在氣墊導軌上做水平方向上對心碰撞，可以近似認為兩滑塊組成的系統(tǒng)在水平方向上所受合外力為零，故系統(tǒng)在水平方向上動量守恒設兩滑塊的質量分別為、，碰撞前它們的速度分別為和，碰撞后的速度分別為和，由動量守恒定律有(1)完全彈性碰撞完全彈性碰撞的特點是碰撞前后系統(tǒng)的動量守恒，機械能也守恒。實驗時，在兩滑塊相碰端裝有彈性極好的緩沖彈簧片，滑塊相碰時緩沖彈簧片先發(fā)生彈性變形而又迅速恢復原狀，并將滑塊彈開，系統(tǒng)機械能近似無損失。碰撞前后總動能保持不變，即(2)當取=0時，由式(1)、式(2)可得碰撞前后速度關系為(3)完全非彈性碰撞完全非彈性碰撞的特點是兩滑塊碰撞后粘在一起以相同速度運動。兩滑塊在碰撞前后系統(tǒng)的動量守恒，但機械能不守恒。設碰撞后兩滑塊的共同速度為，則(4)當取=0時，則有(5)恢復系數(shù)e相互碰撞的兩物體，碰撞后的相對速度和碰撞前的相對速度之比，稱為恢復系數(shù)，用符號e表示(6)通?？梢愿鶕謴拖禂?shù)對碰撞進行如下分類：1)=0，即=，為完全非彈性碰撞。2)=1，即，為安全彈性碰撞。3)0<<1，是一般的非完全彈性碰撞。(4)碰撞時動能的損耗設碰撞后和碰撞前動能之比為R，即(7)經過推導可得(8)從式(8)仍可看出，只有當=1時，動能才守恒。當=0時，，若取，則。由式(8)可知，當由實驗求出恢復系數(shù)，就可以算出碰撞前后的能量比和碰撞中的能量損失。2.瞬時速度的測量在氣墊導軌的一側安裝兩個光電門，它是計時裝置的傳感器。每個光電門有一個光電二極管，被一個聚光小燈泡所照亮。實驗時，將一寬度為△x的U形擋光片置于滑塊上，滑塊通過設置于導軌某處的光電門時，毫秒計時器測出擋光時間△t，于是就可求出滑塊通過該光電門處的瞬時速度。擋光片如圖1所示，若計時器功能選擇在“S2”檔，當滑塊向左(或向右)運動時，擋光片的邊緣1(或4)進入光電門進行第一次擋光，毫秒計時器開始計時，當邊緣3(或2)進入光電門進行第二次擋光時，毫秒計時器停止計時。毫秒計顯示的時間△t就是滑塊運動經過△x距離所用的時間△t，于是，△x/△t即可近似認為是滑塊通過光電門附近的瞬時速度。實驗所用的擋光片的寬度△x為幾厘米。圖1二、實驗內容1.調整檢驗使氣墊導軌處于水平狀態(tài)判斷導軌是否處于水平有兩種方法：“靜態(tài)法”和“動態(tài)法”。當用“靜態(tài)法”進行調節(jié)時，將滑塊置于已通氣的導軌上，調節(jié)支點螺釘使其在任何位置都能保持靜止不動，或稍有運動，但不總向一個方向運動。當用“動態(tài)法”進行調節(jié)時，要求滑塊在沿同一方向運動的過程中經過兩光電門的時間近似相等，即可認為導軌已調平。2.用完全彈性碰撞驗證動量守恒要求分兩種情況進行研究：(1)令，;1)用天平分別稱出兩個滑塊的質量和。2)將計時器功能選擇在“S2”檔。3)如圖2所示，接通氣源后，將滑塊2置于兩光電門之間，并使其靜止(即)，滑塊1置于導軌的一端。碰撞前，迅速對滑塊1施一與相反且與導軌平面平行的力，使滑塊1運動到與導軌端彈簧圈相碰反彈回來，產生初速度，記下滑塊1經過光電門1的時間。圖24)兩滑塊碰撞后，滑塊1將靜止?；瑝K2以速度向前運動，記下滑塊2經過光電門2的時間。5)重復測量5次，將測量數(shù)據填入表1內。(2)令，。1)用天平稱出兩重塊的質量，加在滑塊1上。2)仿照上述步驟，記下滑塊1經過光電門1的時間，以及碰撞后滑塊2和滑塊1先后經過光電門2的時間和(注意：在滑塊2經過光電門2運動到導軌的一端時，應使它靜止，否則由于彈回而影響時間的測量)。3)重復測量5次，將測量數(shù)據填入表2內。三、實驗儀器本實驗所用到的實驗儀器有氣墊導軌、數(shù)字毫秒計、滑塊、天平1.氣墊導軌仿真儀器：實驗儀器仿真儀器操作方法：(1)雙擊打開氣墊導軌大視圖；(2)打開氣泵開關，給氣軌通氣，再將滑塊放到氣墊上，切忌未通氣就將滑塊放到氣墊上。(3)將氣墊導軌調平，調平方法：將滑塊放到氣墊上，調節(jié)支腳螺釘，直至滑塊在氣軌上任何位置都能保持靜止不動，或稍有些運動，但不總向一個方向運動，即認為已基本調平。(4)調水平后切換到縱向水平調節(jié)界面，調節(jié)兩邊支教螺釘，觀察中間水平儀運動狀態(tài)，若靜止不動，或稍或稍有些運動，但不總向一個方向運動，即認為已基本調平。2.數(shù)字毫秒計仿真儀器：實驗儀器仿真儀器操作方法：(1)雙擊打開數(shù)字毫秒計；(2)切換到背面視圖，打開電源開關，兩個檔位選擇分別為ms檔及S2計時2檔上；(3)鼠標左鍵點擊轉換按鈕，測量項檔位會發(fā)生改變，從ms跳到cm/s，再次點擊回到ms，分別代表時間、速度的測量；(4)鼠標左鍵點擊功能按鈕，右側方式項檔位會從S2跳到S1，再次點擊回到S2，代表兩種測量的方式。(S1計時：每個擋光片擋光的時間，一次得到四個數(shù)據，S2計時：經過兩擋光片之間空隙的時間，一次得到兩個數(shù)據)；(5)鼠標左鍵點擊取數(shù)按鈕可以進行取數(shù)操作，數(shù)碼管顯示前面測量記錄下來的時間或速度，按順序顯示，每個停留時間為5秒；(6)鼠標左鍵點擊“復位”按鈕儀器復位至初始打開儀器時狀態(tài)，兩個檔位選擇分別為ms檔及S2計時2檔上；3.滑塊仿真儀器：實驗儀器仿真儀器操作方法：(1)雙擊打開滑塊大視圖；(2)鼠標左鍵點擊增加墊片按鈕，滑塊上增加一塊墊片；鼠標左鍵點擊減少墊片按鈕，滑塊上減少一塊墊片；(3)鼠標放置在箭頭上，變成小手狀，左鍵點擊向左或向右移動旋鈕的位置，同時改變墊片所在的位置；(4)將滑塊拖動到氣墊導軌上；(5)鼠標右鍵按住滑塊并向外拖動，此時會從滑塊上延伸出一條箭頭指向鼠標的位置，射線越長代表滑塊的出射初速度越大，箭頭的方向則代表滑塊的出射方向；4.天平仿真儀器實驗儀器仿真儀器操作方法：(1)鼠標將滑塊拖動到天平上，天平上顯示滑塊質量讀數(shù)；實驗步驟：鼠標左鍵雙擊打開氣泵大視圖，點擊開關按鈕打開氣泵開關。調節(jié)氣墊導軌的水平度，先調節(jié)導軌縱向上兩個螺絲的高度一致，再使用靜態(tài)法及動態(tài)法將導軌在橫向上調節(jié)平衡。

(3)將兩個滑塊分別拖動至電子天平上，記錄兩個滑塊的質量，其中較重的滑塊作為m1。

(4)打開計時計數(shù)測速儀,將功能選在S2檔，將轉換至于ms檔。

(5)將滑塊2拖動至氣墊導軌上的兩個光電門之間，將滑塊1拖動至導軌上有彈簧的一端與彈簧接觸；鼠標右鍵點擊滑塊并拖動鼠標再放開后，滑塊獲得一個初速度后向前移動，并與滑塊2相碰撞，滑塊2獲得一個速度并向前移動；

(7)滑塊2經過光電門2后與尼龍搭扣碰在一起并停下，讀取滑塊1經過光電門1的時間Δt10和滑塊2經過光電門2的時間Δt2，并計入實驗數(shù)據表格中；點擊計時計數(shù)測速儀上的復位按鈕，將當前記錄的數(shù)據清零；

(9)重復4-7步測量共三次，讀取數(shù)據并進行動量守恒的驗證；在滑塊1上加兩片墊片，用電子天平稱出其質量；(11)重復前面的4-7步，并記下滑塊1與滑塊2碰撞后再次經過光電門2的時間間隔；

(12)根據實驗測的的數(shù)據驗證動量守恒定理；四、數(shù)據處理：1、m1=m2、v20=0滑塊質量為m1=199.70g滑塊質量為m2=199.60g數(shù)據有表格（實驗實測量值：Δx=1.000cm序號12345Δt10/ms24.8018.6016.5312.4010.53Δt20/ms25.1918.9116.6012.5710.62v10×10-2/cm·ms-14.035.386.058.069.50v2×10-2/cm·ms-13.975.296.027.969.42m1v10×10-2/cm·g·ms-1804.791074.391208.191609.581897.15M2v2×10-2/cm·g·ms-1792.4121055.881201.591588.821880.23e0.9850.9830.9950.9880.992R0.9850.9830.9950.9880.992E%1.5%1.7%0.55%1.3%0.89%2、m1≠m2、v20=0滑塊質量為m1=299.13g滑塊質量為m2=198.79g數(shù)據有表格（實驗實測量值：Δx=1.000cm）序號12345Δt10/ms49.5916.5321.2512.4010.53Δt2/ms41.7613.9317.9010.488.86Δt1/ms248.4683.19106.7562.4852.83v10×10-2/cm·ms-12.026.054.718.019.52v2×10-2/cm·ms-12.407.185.599.5411.29V1×10-2/cm·ms-10.401.200.941.601.89m1v10×10-2/cm·g·ms-1604.241809.741408.902396.032847.72(m1v1+m2v2)10-2/cm·g·ms-1596.751786.271392.422375.062809.69e0.9900.9880.9870.9910.987R0.9920.9900.9900.9930.990E%1.2%1.3%1.2%0.9%1.3%五、結論：在實驗誤差允