成都电子科大PASCO实验教材.doc

物理实验教材目 录第一章 科学工作室 .2第一节 科学工作室简介 .2第二节 科学工作室750型介绍 .3第二章 ScienceWorkshop软件介绍 .6第三章 传感器介绍 .16第四章 动力学系列实验 .23实验一 弹性碰撞实验中速度与加速度矢量的相互关系 .23实验2 非弹性碰撞中的冲力与动量的相互关系 .24实验 完全非弹性碰撞过程中动量守恒与动能的损失 .26实验 完全弹性碰撞中动能和动量的守恒 .30实验 加速度和简谐振动 .34第五章 磁悬浮实验 .37第六章 转动系列实验 .44实验 向心力实验 .44实验2 盘和环的转动惯量 .50实验3 质点的转动惯量 .54实验4 质点角动量守恒 .56第七章 谐振管系列实验 .61实验1 谐振管的谐振频率 .64实验2 管中的驻波 .66实验3 管长与谐振模式 .69实验4 管中声波的速度 .70第八章 弦音计系列实验 .73实验1 有限长金属线的共振模式 .73实验2 测量波在不同金属线传播的速度 .75实验3 建议研究的实验内容课题 .78第九章 实验仪器设备介绍 .79【附录一】PI-9598 型函数发生器简介 .79【附录二】SE-9720型稳压电源简介 .80【附录三】PI-9587C型数字函数信号放大器简介 .81参考文献 .84第一章 科学工作室 第一节 科学工作室简介一科学工作室主要由三个部分组成1 计算机接口它将来自传感器的数据信号输入计算机，采样频率最高可达每秒二十五万次； 2 传感器利用先进的传感技术，可实时采集物理实验中各种变化物理量数据； 3 软件中文及英文的应用软件。软件内还包括240 个已预设的物理实验。 二PASCO物理实验教学系统特点 1种类齐全，涵盖力、热、波、电、磁、光、原子物理等上百个物理实验； 2采用先进的传感技术采集各种物理量的数据，传感器的数量超过50种； 3利用先进的数据采集技术；令物理实验更准确、更有效率； 4提供中英文接口的数据处理与分析软件及中英文实验手册； 5本实验操作简便，设计新颖，即可做定量实验，也可做定性演示。三PASCO计算机接口-500型主要特点 1数据采集无需计算机即可采集和存储； 2同步记录模拟和数字信号； 3模拟采样： 500 样本/秒 （连续形式）； 20,000样本/秒（脉冲形式）； 采集达到 17,000 数据点（数据点形式）。 40.1 msec 时间精确度； 5位置感应采集多达7,000 动作感应器的数据点； 650 KB 存储空间； 7方便携带，可使用4节5号电池作供电电源； 8RS-232连接。 四PASCO计算机接口-750型主要特点 1采样频率每秒二十五万次； 2内置函数信号发生器； 3 4 个数字通道； 0.1 msec 时间精确度； 1 mm 分辨率的位置感应； 4 3 个模拟通道； 每秒250,000 个采样(单通道) ； 20 KHz实时示波器功能； 5 闪存（Flash Memory）该接口的操作系统和波形储存在闪存中，当新的系统版本出版后，可容易地从PASCO 网站下载升级； 6 SCSI卡和RS-232两种连接方式。第二节 科学工作室750型介绍一科学工作室750型接口 CI-7565A模拟通道电源输出 散热口开关指示灯 数字通道图1-2-1 科学工作室750型接口外形图“科学工作室750型接口”，是一个用于数据获得的电脑操作系统，它是700型界面的升级。它适用于”Science Workshop”和”Data Studio”两款软件。它拥有700型接口的所有功能，还包括以下新的功能：1模拟取样率高达250,000样本/秒；2相比700，SCSI端口速率增加了三倍；3模拟输入频道可以按不同输入分成三档：1，10，100；4用于交流供电的内置功率放大器，并且波形函数发生器提高到300mA；512bits直流振幅精度，允许振幅以2.4mV为单位进行调节；6可以通过banana插口输出模拟信号，允许输出电压和电流在不占用一个模拟频道，不使用内置功率放大器的情况下，允许输出电压和电流以进行监控；7对动作感应灵敏度更高；8产生的直流波频率可高达50KHz(是700型的10倍)；9自动将模拟输入信号偏移量调为0；10由闪存进行升级的固件；11当SCSI端口不可用时，可以通过连续端口连接进行操作。二组成科学工作室750型接口的仪器设备主要有科学工作室750型接口，12V,2A直流电源，750型所配备的装有与电脑SCSI接口进行连接用的DB25线缆，以及MDB50连接器(高密度50针接口)，CD-ROM上的软件和说明文档，Adeptec SCSI 卡。可选择的包括：连接750型界面连续端口的线缆，注意连续端口要比SCSI端口最大数据率小的。两段分别装有适用于Macintosh操作系统的8针MDIN线缆(编号：514-002)，一端装有连接750型用的8针MDIN连接器，另一端装有用于连接windows连续接口的DB25接头的线缆(编号：514-5965；为电脑连接使用的9针连续端口，也提供25针到9针适配器，编号：514-009)。三科学工作室750型接口的操作方法在运行Windows系统的电脑上操作“科学工作室”，750型系统必须在电脑启动前开机Windows系统只在导入过程中对SCSI设备进行识别。具体方法参考第二章。四电源科学工作室750型接口的工作电源为外接12V直流稳压电源。五 科学工作室750型接口SCSI加速卡1科学工作室750型接口与电脑的主要连接是通过SCSI端口。750型的数据传输率有了很大的提高，已经接近于700型的四倍，但这也取决于电脑的运算速度。SCSI加速卡的线缆有为连接电脑所提供的DB25接头，也有用来连接750型的MDB50接头(高密度50针)。750型只有在后部面板上有一个接口，因此必须是用于最后一个SCSI设备，SCSI总线在750内部自动中断的；不需要对SCSI总线使用外部中断，所有SCSI设备(CD-Roms，扫描仪，等)在操作750型时必须全部启动。SCSI的ID在出厂时被预设为2，如果你希望改变ID号，只需要操作后部面板的变换设置并对750型重新启动即可，750型只在启动时读取变换设置。 注意：为避免与系统中其他SCSI设备冲突，在改变ID号前确定是否仍有剩余的ID号码。2选择连续端口的连接：如果SCSI端口不可用的情况下，750型可以与连续端口(COM)进行连接，但是，最大数据传输率比SCSI端口低的多。六闪存750型在闪存里储存了它的操作系统(包括波形模式)。因此，在启动后很短的时间内，界面自己开始运行操作系统(OS)，不需要科学工作室对其进行初始化。科学工作室在可以修订时能对闪存内的OS和波形升级。 图1-2-2 750型的后部面板七模拟信号输入频道750型科学工作室有三个同样的模拟信号输入端口。每一个接不同的输入信号传感器，也就是说，它们就像对一个没有一段接地的电压表进行输入。电压标准是两个不同输入的电压差。每一个频道有三个软件已达成不同收集设置：1，10和100。最大采样频率取决于选用哪一个频道用于测量。为了得到更高的采样频率，科学工作室抽取一个2000 bytes的block并将其进行传输。一旦向主机的传送开始，750型科学工作室会抽取一个新的block。因为数据没有进行采样的时间间隔非常短暂所以叫做burst模式。这个模式的主要是用于模拟示波器。表1-2-1显示了当时用速度较快的电脑进行记录数据时的采样约束。表1-2-1 采样频率约束取样频率频道编号注释250 KHz1 analogburst 模式100 KHz3 analogburst 模式50 KHz5 analogburst 模式20 KHz1 analog (5 analog)continuous*(burst) 联系的10 KHz1 analog + digital (5 analog)continuous*(burst)100 Hz5 analogcontinuous 8x oversample (在100 Hz情况下提高精度率)注意：用选取的5个频道进行连续取样维持时间约几秒钟。750型接口有5个模拟频道可供选择：频道AC，输出模拟电压(在banana接口)，以及模拟输出电流。请注意这只适用于连续采样。计算机速度是一个重要因素，尤其是当科学工作室正在忙于现实各种数据时。注意：当选择了一个数字传感器，采样频率就不再取决于数字频道的编号，因为它们同样在10KHz时进行取样。八内置函数发生器750型科学工作室有一个内置的函数发生器用于输出模拟信号，它可以是交流信号，如正弦波和三角波，也可以是范围在+5V内的直流信号。对于交流信号波形，其中有8种驻留在闪存中，频率可以从1mHz(0.001Hz)到50KHz，波峰到波峰间的最大值可以以2.44mV的增量从0V到+5V间进行调节。输出电压在出厂时会被调整，偏移电压调为0，并设置全电压。九存取模拟输出有两种方法存取模拟输出信号。首先(科学工作室默认的方法)是连接测试导线到banana插口，所产生的信号是出现在DIN连接器上的信号功率放大上，它能够提供将近+5V，300mA。输出电流可以由输出电压进行监控。第二点是使用CI-6552A功率放大器(电压增益为2V，释放功率为10w)，并将它的DIN插头连接到模拟频道A、B、C其中的一个上面。数字结果采样：750型科学工作室可以对感光定时进行数字采样。750型科学工作室利用硬件进行边缘探测，所以它能够捕获其中一种或作为数字结果，这成为触发条件的一个特征。它能够计算设备的数字结果，例如：盖革-米勒计数传感器或一个转动传感器。每一个频道都有一个独立的16bit计算器。对于动作感应，不论单一或二重的，内部计算器和边缘探测器都提供了测量过程中减少噪声的改良性能。十注意事项1 在750型科学工作室工作时不要挡住其顶部和底部的通风散热孔；2 若想使用DataStudio对750型科学工作室进行操作，详细说明参考DataStudio在线帮助系统。第二章 ScienceWorkshop软件介绍ScienceWorkshop软件是为实验所开发的，每一个实验人员应该掌握并正确使用，才能更好地完成实验内容。以下是科学工作室软件工作界面，它是对应科学工作室系列计算机接口(如500型，700型，750型)的实验软件，下面将介绍一下软件的主要操作。一软件界面整体介绍点击，弹出下面界面：二菜单选项介绍点击File，弹出菜单：1新建项目 2打开已有项目 3关闭窗口 4保存实验结果 5将实验结果另存 6恢复为已保存的文件 7打印页面设置 8打印动态显示 9打印全部显示页面 10输出动态显示 11输出数据 12退出科学工作室另外Edit，Experiment，Display菜单中的选项在界面中均有快捷方式，不在此赘述。 三 实验面板为对取样进行设置的按钮，点击，弹出如下对话框：通过拖拽Periodic Samples滑块来确定周期采样频率，通过选slow，fast选择频率范围。右部的面板上可以选择采样的起始和终止条件。信号发生器按钮，点击，弹出以下对话框：从中选择所需要的触发信号波形。分为直流和交流波形两类，并可以选择振幅和频率的大小。实验笔记按钮，相当于notepad，记录实验过程信息。实验用计算器按钮，不同于普通计算软件，它可以结合实验进行函数计算。点击该图表，弹出实验用计算器，如图：为设置选择各种函数按钮。为输入设置按钮，可以通过它来选择接入科学工作室各通道上传感器的测量信号参数进行计算。输入新的计算公式。打开已知的计算公式。删除已输入的计算公式。Caculation Name一栏输入计算公式名称，它将出现在显示图的坐标轴上作为x、y轴的测量参量，注意尽量取易懂或测量参量英文的名称。Short Name一栏输入测量物理量名称简写。Units一栏输入计算结果的物理量单位。注意：认真观察计算结果与代入的已知物理量单位之间的不同，如果不一致，用数学方法进行换算。例如：input单位为cm/s，Units一栏是m，则在计算过程中，不要忘了加上“*01”这条语句。即计算公式中各物理量单位统一为国际单位。实验面板上其它按钮：记录数据按钮，点击开始记录数据。停止记录数据按钮，点击停止记录数据。实时跟踪显示记录数据按钮，并不记录数据。暂停按钮，暂停目前记录数据的操作。把记录的数据暂时储存到此窗口中，以备随时调用。四科学工作室软件操作界面下图为750的操作界面图： 对应的是数字频道插头1234，例如在1,2插头上接入了RMS转动传感器，则应把该图标拖拽到对应插口上(要与实际操作相吻合)。适用于运动传感器，转动传感器等等。注意：1）、黄色的插头对应单数插孔；2）、对应两个插头的另一个将在同时被该数字频道探测到，不需要手动继续设置。对应模拟信号插头，适用于电压传感器、热传感器、光传感器、力传感器、声音传感器等。将数字插头图形移动到频道1上(模拟信号插头也可按如下所述设置)，则会出现如下图的对话框：通过移动滑块正确选择所连接的传感器，这里我们选择转动传感器为例。点选OK后，出现如下设置转动传感器的窗口（前提是您确实将转动传感器接在了科学工作室计算机接口上）：左边的Divsions/Rotation值可以理解为该传感器的采样频率/转，下方显示了最大转动速率为3.2转/秒，右边的下拉对话框可以用来选择传感器转动滑轮大、小等类型，根据实验要求选择，常规选择“Large Pulley (Groove)” 。设置后，软件操作界面会变成如下图所示的对话框，表示已经将转动传感器设置完毕：输出设置如下图所示，从左到右依次为：数字显示，仪表显示，示波器显示，傅里叶展开频谱图显示，表格显示，图像显示。例如如果想要画出转动传感器测量参数的曲线，将graph按钮拖拽到接口操作界面示意图相对应的转动传感器的接口图标上，会出现如下图所示对话框：对话框中包括角度，角速度，角加速度，位移，速度，加速度等选项，我们可以从中选取一项或多项来作为测量对象（点击选取，再次点击取消选取），然后按下Display按钮，出现如下图所示对话框：将750型接口界面还原，把界面调到最佳显示状态，点击“REC”按钮开始记录数据，点击“STOP”停止记录。把采集数据窗口调试出实验所有需要测量的数据曲线，方法如下：选中，出现如下测量数据曲线界面：同样，可以删除选错的测量数据曲线窗口，方法如下：（1）首先，选中要删除的测量数据曲线窗口左边倒三角形，出现如下对话框：（2）选中“Delete input”，点击“Ok” , 删除了不需要的测量曲线窗口；五曲线图面板设置方法实验设备安装调整完毕、“科学工作室”处于工作状态、开始采集数据，曲线图如下： 1 以新的物理量创建新的测量曲线窗口；2 测量曲线特殊值（最大值和最小值等）的功能按钮；3 曲线读数功能按钮，按下后可在鼠标停留的任意点读取其所在坐标位置的测量值；4 局部放大按钮（对应6，7）；5 把所有测量曲线显示在当前的最佳位置；6 缩小当前图像；7 放大当前图像。 记录的每次实验数据，选择最佳的实验曲线作为实验结果。由于实验结果默认为*.sws格式。为方便分析实验结果，可以将图像粘贴在Word.doc文档中，选中graphic display 窗口，选择edit菜单，选择copy，把图像储存在剪贴板中，打开一个word文档，便可将图像粘贴在文档上，作为实验报告数据结果图打印。第三章 传感器介绍一 PASCO传感器综述PASCO传感器分有模拟/数字传感器配合计算机接口的数十种传感器，单独或组合应用于： 力学、热力学、波和声学、光学、电力和磁力学、 原子和核子学。1994首次出版用于配合 PASCO的 ScienceWorkshop 接口和传感器；带有 240多个预设实验，方便老师和学生直接调用；方便直观的用户使用界面，令数据记录、监控变得简单；数据/图形可存储/编辑/打印；方便学生完成实验报告；并可转存EXECL/ WORD 文档进行编辑整理；数据/图形处理包含最大/小值、平均、偏差统计；曲线适配、积分、微分多种功能；实时数据显示；同时最多显示5种关系曲线；虚拟仪器仪表（示波器/FFT/电压电流表）同步显示真实数据。下面分别介绍本实验室所用的传感器。二加速度传感器 CI-6558 图3-2-1 加速度传感器外形图1范围：+5g 0.01g分辨率加速度传感器是一个独特的传感器类型，它可以记录几乎所有应用中的加速度数据。直接将传感器接入“科学工作室500型”接口就可以制成一个轻便的加速度测量设备。2典型应用：动力小车碰撞实验，升降机实验，汽车以及过山车实验。3仪器包括：加速度传感器（附有2米连接线缆）动力小车所附带的托架及其它硬件设备4技术指标：范围：+5g；灵敏度：0.01g 零函数：按键；零重力输出；传感器应答设置：可选开关；“slow” 用于减少升降机加速实验，过山车实验及汽车实验测量中的高频震荡与噪声；“fast” 用于测量瞬时实验数据如小车碰撞实验；连接器：计算机接口与传感器连接线缆。三力传感器 CI-6537测量范围：50N精度：0.03N 图3-3-1 力传感器外形图它是物理实验中用于测量力效果最好的传感器，它的能力是能够除去不是直接作用在运动方向坐标轴上的力从而产生更精确的读数。它的+50N范围以及0.03N的分辨率可以适用于大部分物理实验。1 特色：tare按键：按下此键可以忽略小的力值。过载保护：防止超过最大范围的力损坏设备。附件质量盒：作为使PASCO动力小车保持重量的附件。装配在标准的12.4mm支撑杆上。2典型应用：测量弹性与非弹性碰撞中的力，测量由振动物体产生的力，测量回转力。3技术指标：力的范围：-50N到+50N；灵敏度：0.03N或3.1克；零函数：按键；过载保护：机械停止以保护超过50N的力损坏传感器；传感器电波宽度转换使用“Narrow”的设置，适用于15cm和2m以杜绝错误目标信号和空气噪声，“Standrad”的设置适用于15cm和8m连接器: 计算机接口与传感器连接线缆。四运动传感器II CI-6688动力学轨道安装设备杆夹与安装设备桌面设备支架传感器LED显示获取目标传感器角度设置，角度可调节360 图3-4-1 运动传感器外形图1 运动传感器测量原理：基于超声波脉冲技术测量目标位置。2典型应用：测量目标位置，速度和加速度的实验；测量弹簧上质点正弦运动的实验；可以用来监控大目标(如学生本身)的动作。3技术指标：最小测量范围：15cm；最大测量范围：8m；传感器测量旋转角度：360度；狭窄/标准： 转换设置；狭窄：最高距离为2m，以消除错误目标信号或忽略空气轨迹噪声。连接器: 计算机接口与传感器连接线缆。4安装配件:12.5mm或更小直径的杆；直接装到PASCO动力学轨道；为桌面安装而设置的防滑橡胶脚。五转动传感器 CI-6538三级滑轮安装PASCO超级滑轮的平台线性运动加速槽杆架夹此夹也可以装在传感器的左侧或右侧 图3-5-1 转动传感器外形图转动传感器可能是在学生物理实验室里最常用的位置/动作测量设备。它擅长于测量以0.055mm的灵敏度来测量线性位置或以0.25度的灵敏度来测量转动动作。这个传感器也是双向的,表示出运动方向。直径为6.35mm的双球轴承由该设备的两边伸展出来，为转动实验提供了一个完美的测量平台。杆夹(可以从三面装在传感器上)使得以任意方位装配该设备成为可能。一个三组滑轮和一个PASCO超级滑轮的设备，可以很容易的完成扭矩实验。这个传感器的核心部分是一个光学编码器。因为这是一个数字实验，这些力的值不可能出现漂移与累计错误；零位置始终显示在同一点上。灵敏度方面：1度或0.25度，在软件里是可选的。1典型应用：角动量的守恒，盘和环的转动惯量，质点的转动惯量，力与位移的比较，装有重滑轮的小车加速度，张力与角度，角动量守恒，简谐振动。2技术指标：三组滑轮：直径分别为10 mm, 29 mm, 48mm ；灵敏度：1度和0.25度；最大速度: 在灵敏度为1度时,13转/秒；在灵敏度为0.25度时,3.25转/秒；传感器尺寸：1053.75cm ；连接器: 计算机接口与传感器连接线缆。六感光/滑轮系统 ME-6838光门/超级滑轮ME-6838 图3-6-1 光门/超级滑轮系统传感器外形图感光/滑轮系统运用一个趋光头来监控低摩擦滑轮转动，是一个简单的、应用范围很广的传感器。计算并画出位置、速率、小车的加速度等等曲线图。 感光/滑轮系统精确的滑轮可以执行所有的功能。另外，可以将滑轮移除，感光设备部分可以用来做感光实验。1典型应用：匀速运动的速度，自由落体，倾斜平面上运动学实验，发射速度，小车的加速度实验。2技术指标：滑轮：转动惯量测量范围 1.810-6kg.m2 ；摩擦系数 710-3； 直径：5cm, 质量：5.5g ；感光设备: 宽: 7.5cm ,上升时间: 500ns ；透光孔灵敏度: 1mm(装配上“科学工作室”以后)；连接器: 计算机接口与传感器连接线缆。七光传感器 CI-6504A 图3-7-1 光传感器外形图1 应用范围：CI-6504A光传感器是用于户内与户外测量光强度的实验。2典型应用:测量白天光的相对强度(也可以观测日食)，光强与距离关系，观测光的干涉与衍射，观测光的偏振现象。3技术指标：检测光信号的器件：硅光电管；波长范围：320nm到1100nm；光强度输出的最高范围：大约 500,50,5 lux ，可切换；输出电压：0-5V ；连接器：计算机接口与传感器连接线缆。测量范围：传感器增益 1x 10x 100x最大范围值lux 500 50 5.0八电压传感器 CI-6503 图3-8-1 电压传感器外形图1电压传感器作用：是将PASCO界面与电路连接起来的器件。2典型应用：研究电路中的电阻、电压与电容，电镀实验，功率放大器实验。3技术指标：电压范围：+10V AC/DC；连接器：模拟插头；探测器末端是标准插头，可与两个鳄鱼夹相接。九温度传感器 CI-6508B 图3-9-1 温度传感器外形图这个低比热温度传感器能够快速物体测量温度，并忽略其非测量因素的影响。CI-6508B传感器配有特氟纶（塑料, 绝缘材料）表皮用以消除液体或化学物质的影响。1典型应用：普通测温实验；测量吸热放热实验中的急速温度变化反应。2技术指标：测温范围：-5oC到+105oC ；精度：+1oC；分辨率：0.2oC；输出电压/温度比率：10mV/oC,线性关系；连接器：8针插口（模拟插口）的计算机接口与传感器连接线缆。十绝对压力传感器 CI-6532A 图3-10-1 绝对压力传感器外形图CI-6532A绝对压力传感器可以测量相当于一个40m Torr内部真空的压力参考物，内部真空压力的参考物是用于允许持续压力测量，且不受气压上升影响。1典型应用：用压力变化来测量化学反应速率。（细胞的呼吸作用或过氧化酶反应）；证明气体定律（理想状态、查尔斯定律、波尔定律）。2技术指标：压力范围：0到700KPa；参考真空压力：40 m Torr；压力端口编号：1；连接器：8针插口（模拟插口）的计算机接口与传感器连接线缆。十一低压传感器 CI-6534A图3-11-1 低压传感器外形图CI-6534A低压传感器用于测量物理和生命科学实验中较小的压力变化。1典型应用：热力发动机循环；测量由于蒸发作用而引起的压力变形。2技术指标：压力范围：0到10KPa；压力端口编号：1；连接器：8针插口（模拟插口）的计算机接口与传感器连接线缆。第四章 动力学系列实验实验1 弹性碰撞实验中速度与加速度矢量的相互关系【实验目的】 研究小车进行弹性碰撞时的力、位置、速度、加速度矢量相互之间的关系。【实验仪器】转动传感器(RMS)(CI-6538)，RMS/IDS Kit，IDS设备附件(CI-6692)，动力学小车(ME-9430 或 ME-9454)，动力学轨道(ME-9435A或ME9458)，可调的终点挡板(ME-9448A)，PASCO计算机750型接口，电脑。【实验步骤】（一）实验仪器安装1使用IDS设备附件以及IDS轨道滑轮托架，将IDS轨道装上RMS，并进行相应的调整；2可调的终端挡板安装在轨道的末端，(如图4-1-1)，如果有必要，可以将IDS滑轮支架移走；3小车放在轨道上，让磁铁一面冲着可调终点挡板，并将细绳支架装在小车上；4将绳按图示方法接好，确认绳子能够不受阻碍的自由移动，与滑轮和小车、线绳支架保持水平，确保位置足够高不会使绳从滑轮上滑落。图4-1-1 实验安装示意图（二）连接科学工作室1 将转动传感器RMS安装到“科学工作室”接口上；2 如果你没有进入RMS的启动画面，双击RMS图标；3 将“Division/Rotation”(分界/旋转)值设为1440，点击“OK” ；4 点击“Sampling Options” (取样操作)键并将取样比率设为50Hz或者更大，点击“OK” ；5 拖拽一个“Graphic Display”图标到转动传感器RMS图标里，并在“Choose Caculations to Display” 弹出对话框内选择：“Position (linPos)” 、“Velocity (linVel)” 、和“Acceleration (linAcc)” 。【实验数据记录】1将小车与转动传感器RMS连接好并放在轨道末端；2开始记录数据；3向着挡板方向轻轻推小车一下(能使小车平滑运动所需大小的力即可)；4当小车从挡板回弹时，停止纪录数据。5重复上述实验，直到记录的测量曲线满足实验要求为止。【分析数据】1画出三个图像的草图并标出坐标轴（或打印出实验曲线图）；2标注出实验曲线图下面三个状态：1）小车向挡板方向移动；2）小车的弹性碰撞；3）小车被挡板弹开。【思考题】1碰撞前，小车的速率和加速度是多少？2描述一下小车在碰撞时速率发生了什么变化？当小车有了反方向速率时它的位置发生了什么变化？3描述一下小车在碰撞过程中加速度发生了什么变化？小车的加速度从0变为负值后小车的位置有了什么变化？当小车的加速度从负值变为0时小车的位置又发生了什么变化？【附加实验】（一） 在本实验中把将可调的终端挡板换为力传感器，重做上面实验。（二） 通过“科学工作室”软件相关操作，将显示记录实验曲线界面增加一个“F - t”数据窗口。注意观察“F - t”曲线的变化，更换不同直径的力传感器弹簧探测头，记录相关的实验曲线。（三） 回答不同直径的力传感器弹簧探测头测量的曲线有什么不同？有什么意义？对实验结果有什么影响？【注意事项】把力传感器连接到“科学工作室”上时，请把“科学工作室”接口电源关闭，以免损坏仪器。实验2 非弹性碰撞中的冲力与动量的相互关系【实验目的】目的是定量地比较小车运动的动量和小车与固定物体发生的非弹性碰撞所产生的冲力。【实验仪器】转动运动传感器(RMS)(CI-6538)，RMS/IDS 工具包(CI-6569)，+50N力传感器(CI-6537)，IDS设备附件(CI-6692)，力传感器支架和碰撞缓冲器(CI-6545)，动力学小车(ME-9430或ME-9454)，PASCO计算机500型或750型接口，动力学轨道(ME-9435或ME-9458)， 电脑，10cm左右高度的木块(或相似物体)。【实验原理】这个系统的动量由以下关系式决定P=mv (4-2-1)这里P代表动量，m代表质量，v代表速度。在碰撞过程中，动量的变化由以下关系式决定： （4-2-2）作用力相对时间曲线下面的面积由曲线积分确定，作为动量变化的总值。在非弹性碰撞中，最后的速度为零，所以以下关系成立： (4-2-3)【实验步骤】1 用IDS设备附件将转动传感器RMS装在IDS轨道上，并将滑轮支架装配在IDS轨道上（属于设备安装过程），如图4-2-1所示；图4-2-1 实验安装示意图2使用力传感器支架将力传感器装在轨道的末端，如果需要的话,可以移动IDS轨道滑轮支架；3松开取下力传感器上的探测头，将力传感器支架上的碰撞杯装上去；4用粘土做一个底部半径为1cm高为3cm的锥形，压进碰撞杯内；5将小车放在轨道上，让磁铁冲着力传感器；6安装小车线绳支架（按4-2-1实验图中所示方法安装线绳），水平穿过滑轮与小车线绳支架，调整线绳的松紧和滑轮、支架、小车之间的线绳高度处于同一水平，确保绳子可以无阻碍的自由移动。【启动“科学工作室”】1将转动传感器RMS安装到“科学工作室”接口上，同时把力传感器也连接到“科学工作室” 接口上；2如果你没有启动转动传感器RMS的窗口，双击RMS图标。3点击“Division/Rotation” 按键，并将值设为1440，点击“OK” ；4双击“Sampling Options”按键，并将取样频率值设为50Hz或者是大于50Hz，点击“OK”；5拖拽一个“Graphic Display”按钮到RMS图标上，并在“Choose Caclulation to Display”弹出对话框内选择“Velocity(linVel)” ；6通过“科学工作室”软件相关操作，将显示记录实验曲线界面调整为“F - t；V - t”两个数据窗口。【记录数据】1将小车放在靠近转动传感器RMS的位置上，并将整个轨道由一端用木块垫高。2开始记录数据。3松开小车，使其由静止开始下滑。注意：如果碰撞不是完全非弹性的（小车被粘土阻挡物弹回来了），将轨道升起的角度减小。4 停止纪录数据。5 重复上述实验，直到记录的测量曲线满足实验要求为止。【分析数据】1由“科学工作室”的统计函数来确定小车的最大速率。2确定小车的质量。3计算小车的动量。4用统计函数对曲线下面的面积求积分。5选择描述碰撞过程的那部分曲线并计算积分值。注意：选择的方法是点击并将一个对话框拖拽到想要计算的区域。6 比较小车在碰撞过程中动量与冲量的大小。【思考题】1实验数据是否说明了碰撞过程中小车动量的增量等于冲量？(是否满足mv=？)。实验 完全非弹性碰撞过程中动量守恒与动能的损失【实验目的】本实验的目的是利用数据与测量曲线图形研究运动小车与静止小车在发生非弹性碰撞过程中的动量守恒以及动能损失。【实验仪器】转动传感器(RMS)(CI-6538) (2组)，动力学轨道(ME-9435A或ME-9458)，RMS/IDS 套装(CI-6569) (2组) ，PASCO计算机接口(750型)，IDS设备附件(CI-6692) (2组) ； 科学工作室2.2版或更高，plunger小车或碰撞小车(ME-9430或ME-9454)，电脑。【实验原理】在发生碰撞前的小车的情形如下图所示： m1表示第一辆小车的质量，V1表示第一辆小车的初速度，m2表示第二辆小车的质量，V2表示第二辆小车的初速度，为0。在碰撞发生之后，小车粘在一起作为一个整体移动，如下图所示： 整个系统在这段时间内每一点的动量都可由以下公式表示：P=m1v1+m2v2 (4-3-1)m1v1是第一辆小车的初速度与质量，m2v2是第二辆小车的速度与质量。在碰撞后动量守恒，以下关系式成立： m1v1+m2v2=m aftervafter (4-3-2)这里mafter是两个小车的总质量，Vafter是两个小车粘在一起时的运动速度。系统的总动能有以下式子表出：E=m1v12+m2v22 (4-3-3)与动量不同的是，动能在碰撞前后并不守恒：m1v12+m2v22 mafterv2after (4-3-4)【实验过程】（一）实验A等质量的完全非弹性碰撞1实验设备安装（1）在IDS轨道上用IDS设备附件安装两个转动传感器，并在轨道上安装两个装有小滑轮的支架，如图-3-1所示。（2）小车上装上线绳支架，用天平称出小车的质量,并填入表格-3-1。（3）将两个小车装上尼龙扣(plunger小车)或配备无磁铁末端(碰撞小车)并放在轨道上，让两个小车相对。（4）如图-3-1将线绳绑好，调整线绳的松紧和滑轮、支架、小车之间的线绳高度处于同一水平，确保线绳可以无阻碍的在轨道上自由移动。（5）调整装有小滑轮的支架，确保线绳在实验过程中不会脱落。图-3-1 等质量的非弹性碰撞实验安装示意图 启动“科学工作室” （1）将与小车1连接的转动传感器(RMS)的数字插头接到计算机接口的数字通道1和2, 与小车2连接的转动传感器(RMS)的数字插头也接到计算机接口的数字通道3和4；（2）启动“科学工作室”中的转动传感器；（3）如果没有启动RMS的窗口，直接双击阿转动传感器RMS图标。点击“Division/Rotation”按键将值设为1440，检查在Linear Calibration对话框中是否选中的是“Large Pully(Groove)” ，点击“OK”；（4）将另一个转动传感器RMS也按以上步骤设置好各项参数；（5） 双击“Sampling Options”按纽，并将取样值设为50Hz或者是大于50Hz，点击“OK” 。（6）定义动量：点击实验计算按钮。按下“New”键建立一个新的计算进程来计算动量，进入表达式区域，使用“input，f(x)”按键与键盘，键入一个描述计算进程的动量(mv)公式，起一全名称和简称作为记录曲线参量的名称，比如“Total Momenum 1”和“Mome” ，单位应设为实验所适用的国际统一单位，检查无误后，按下回车键返回到计算窗口。（7）定义动能：再按下“New”键再建立一个新的计算进程来计算动能，进入表达式区域，使用“input，f(x)”按键与键盘，键入一个描述计算进程的动能（1/2mv2）公式，起一全名称和简称作为记录曲线参量的名称，比如“Total Kinetic Energy 1”和“KE” ，单位应设为实验所适用的国际统一单位，检查无误后，按下回车键返回到计算窗口。（8）关闭实验计算窗口（9）输出小车1和小车2的速度以及系统动量、系统总动能与时间的函数关系图形，拖拽图像按钮到RMS图标上，并选择显示四个计算进程的图形，具体步骤：在“Choose Caculations to Display”弹出菜单中(这些选择将被修改，所以选择哪一项计算进程都是没有关系的)，然后一幅具有四个不同参量的y轴和同一个参量的x轴的时间函数坐标图形窗口将会生成。（10）改变y轴参量为实验所需要测量的参量值，方法如下：（a） 将y轴设为小车1的速度。方法如下：点击y轴顶部的“Plot Input Menu”键(图)，并在弹出菜单中选择“Digital” 和“Velocity(linVel)” 。(b) 设定小车2的速度, 点击第二个y轴顶部的“Plot Input Menu”键,