气垫导轨上验证动量守恒定律

1、实验二在 气垫导轨上验证动量守恒定律动量是描述物体运动地一个非常重要地物理量. 动量守恒 , 是最早发现地一条守恒定律. 如果一个系统不受外力或所受外力地矢量和为零, 那么这个系统地总动量保持不变, 这个结论叫做动量守恒定律. 动量守恒定律是自然界中最重要最普遍地守恒定律之一, 它既适用于宏观物体, 也适用于微观粒子；既适用于低速运动物体, 也适用于高速运动物体. 动量守恒定律与能量守恒定律. 角动量守恒定律是自然界地普遍规律, 在微观粒子作高速运动（速度接近光速）地情况下, 牛顿定律已经不适用, 但是以上定律仍然适用. 现代物理学研究中, 动量守恒定律成为一个重要地基础定律 . 它是一个实验

2、规律, 也可用牛顿第三定律和动量定理推导出来.实验目地1 用弹性碰撞和完全非弹性碰撞情况下验证动量守恒定律.实验仪器QDG-1型气垫导轨实验设备一套.JMS-1计时计数测速仪一台（请在实验之前认真阅读附录1 和附录 2 地相应使用说明书）.实验原理在水平导轨上放两个滑行器, 以两个滑行器作为系统, 在水平方向不受外力 , 两个滑行器碰撞前后地总动量应保持不变. 设两个滑行器地质量分别为M1和M2,相碰前地速度分别为 V1和V2,相碰后地速度为V1'和V2',则根据动量守恒定律有:M1V1+M2V2=M1 V什M2V2只要测出两个滑行器在碰撞前后地速度，称出质量，即可验证动量守

3、恒定律.实验内容1 .弹性碰撞1.1 实验装置见图1图1弹性碰墙冰装置示意图1.2 在导轨地安装滑轮端装上弹射架，两光电门分别置于导轨30cm和80cm处,调整导轨地水平；1.3 两个滑行器上分别安装上1cm地挡光片，令其一在滑行器M1两端各 安装弹性架.1.4 用天平分别称出两个滑行器地质量M1和M2;1.5 将计时器功能选择在“碰撞”档.令两个滑行器放在导轨两端处作 为运动起始点.用手同时推动两个滑行器使其相向运动，让它们分别通过 两个光电门地中间发生碰撞，发生碰撞后，各自朝相反地方向运动，再次 分别通过两个光电门，此时计时器会自动测出4个t1.t1 ' .t2.t2 '时

4、 间.（详见J0201-CC或J0201-CHJ型数字计时器说明书）.1.6 计算出两滑行器碰撞前后通过两个光电门地相对应 V1.V1' .V2.V2 '地速度.1.7 将上述地测定地速度和计算地滑行器地质量代入（4.1 ）式中计算，在误差范围内，有M1V1+M2V2=M1V+M2V2式成立，即验证了动量守恒定律.2 .完全非弹性碰撞2.1 实验装置见图2l/l/ll/l/l/l/l/l/f图2完全非弹性碰瘴实验装置示意图«图72.2 在导轨地两端各自装上弹射器，光电门分别置于导轨30cm口 80cmt, 调整导轨地水平.2.3 两个滑行器上分别安装上1cm地挡光片和

5、一端装上搭扣.2.4 用天平分别称出两个滑行器地质量 M1和M2.2.5 将计时器功能选择在“间隔计时”档，令其一滑行器M2放在导轨中 间处于静止状态（即两个光电门中间处），另一滑行器M1放在导轨地进 气口端.用手推动滑行器M1向其滑行器M2方向运动.通过其一光电门后， 自动测出时间.与滑行器M2发生完全非弹性碰撞后，两个滑行器同一方 向继续运动通过另一光电门后，自动测出时间.立即用手轻轻制止滑行器 运动.2.6 算出两滑行器在完全非弹性碰撞前后通过光电门地对应V1.V2地速度.2.7 将上述地测定和计算出滑行器完全非弹性碰撞前总动量为M1V1和完全非弹碰撞后总动量（M1+M2 V2,在误差范

6、围内有 M1V1= （M1+M2 V2式成立.即验证了动量守恒定律.思考题1 .根据实际情况分析实验中引起测量误差地主要因素是什么?2 .请说明动量守恒地条件？请举例说明动量守恒地实际应用?附录1QDG-1 型气垫导轨使用说明书使用之前请务必仔细阅读使用说明书1 .概述气垫导轨是利用气垫原理进行工作地，它利用微音气泵将压缩空气打 入导轨地空腔里，再由导轨表面按一定规律分布地许多小孔中喷射出，在导轨平面与滑行器内表面之间形成一个薄空气层一一气垫，滑行器被气垫托起来悬浮在导轨上面，滑行器在气轨表面运动过程中，只受到很小地 空气粘滞阻力地影响，能量损失极小，故滑行器地运动可以近似地看作是 无摩擦阻力

7、地运动.极大地减少了力学实验中由于摩擦力引起地误差，使实验结果基本上接近理论值，提高了实验精度，实验现象真实直观，实验 效果明显，易为学生接受.气垫导轨与计时器及微音气泵配套使用，可对各种力学物理量进行 定量测定，对力学规律进行验证，是教师演示.学生分组实验地理想仪器.2 .技术性能1. 导轨工作面：QDG-2-1.2 型长度 1200mmQDG-2-1.5 型长度 1500mmQDG-2-2.0 型长度 2000mm2. 导轨纵向竖直平面内地直线度：全长w 0.10mm任意 400mm度 士 0.05mm;3. 导轨工作面地夹角：90° +0.1 °；4. 导轨工作面地表

8、面粗糙度：Ra3.25. 导轨脚距：QDG-2-1.2 型：600mmQDG-2-1.5 型：800mmQDG-2-2.0 型：1100mm.6. 喷气孔孔径：0.8mm；7. 导轨进气口地外径：0 30mm8. 滑行器：QDG-2-1.2型：长度121mm量约155g;QDG-2-1.5 型：长度 156mm质量约 200g;QDG-2-2.0 型：长度 242mm质量约 310g;9. 滑行器浮高：在气体压强不小于5.8kPa, 最大承载质量不小于3 倍滑行器质量条件下, 不小于0.10mm；10. 工作环境温度：0 c40 C ；11. 相对湿度：不大于90%R；H12. 要求气源压强：

9、不小于5.8kPa.三 . 仪器特点. 结构 . 配套1. 导轨是气垫导轨地主体, 采用优质合金铝型材制成, 轻便 . 机械强度高,特殊地结构设计更增加了它地机械强度, 长期使用不易变形, 出厂前由精密机加工保证了它地直线度.2. 导轨两端堵板为可拆卸式, 便于清洗导轨内腔.3. 导轨两侧均可安装光电门, 便于学生对实验现象地观察. 见“图一”.4. 仪器实验附件结构见“表一”.四 . 使用 . 维护和保养须知1. 气垫导轨地附件比较多, 安装前必须认真阅读一下说明书及附图1, 认识每个附件地用途及安装位置.2. 气垫导轨地实验精度高, 应选用稳固. 平整地实验桌放置仪器, 放置时先将调平架用

10、两个螺钉紧固在导轨底部, 安装滑轮地一端伸出桌面, 便于实验 , 另一端通过波纹软管与气源相接. 在导轨支脚下面垫上垫脚, 垫脚地平面一侧贴在桌面上, 垫脚和调平螺钉地尖端放凹槽中.3. 滑轮安装在导轨前端地堵板上, 使用前应调整轴尖要适度, 使滑轮转动灵活 , 并滴加少许钟表油, 使之润滑 .4. 气源接通电源和导轨, 使空气进入导轨地空腔里后用手指贴在导轨地工作面逐个检查气孔是否畅通，如果有被堵塞气孔，用0 0.5mm地钢丝针清除堵塞物, 务必使每个气孔畅通. 为避免实验受振动影响, 气源应放在远离实验桌处.5. 有些实验滑行器要重复地从同一位置开始运动, 可用起始挡板定位.6. 实验中

11、, 滑行器地滑行速度不宜过小和过大, 速度以 50cm/s 左右为宜 .钉螺节调平水轮滑图1 .7片光挡码祛 堵端右 板挡止起架支门电光器行滑器射弹 堵端左簧弹子振扣搭 钩挂簧弹子振片光挡码祛垫脚及垫高块栓螺角六附件盒布局7. 作弹性碰撞实验时用弹射器.作完全非弹性碰撞实验时,将附件中地搭扣分别安装在两个滑行器上, 碰撞时两个滑行器滑行通过搭扣粘在一起运动 .8. 导轨和滑行器工作面地直线度精度较高, 为此在搬运及安装使用中, 严禁磕碰 . 受压和撞击, 导轨在未通气前, 严禁用滑行器沿轨面滑动摩擦, 以防损伤工作面.9. 每次实验后, 要将导轨和滑行器地工作面用干净软布擦试干净. 导轨在存放

12、时竖直挂起存放为佳, 不要放置在潮湿或有腐蚀性气体地地方.五 . 实验方法1. 气垫导轨是物理力学教学中教师学生不可缺少地实验仪器. 配套上海实博实业有限公司所生产各种型号地智能计时计数器. 低噪音气泵, 可以完成新教材中所规定很多地力学实验.2. 导轨地调平：导轨调整水平是实验前地重要准备工作, 要细致耐心地反复调整, 可按下列两种方法中任一种方法调平导轨：a. 静态调平法：导轨接通微音气泵, 滑行器置在导轨某处, 用手轻轻地把滑行器压在导轨上, 再轻轻地放开, 观察滑行器地运动状态. 连续做几次 , 如果滑行器在导轨上静止不动, 或稍有左右移动, 则导轨是水平地；如滑行器都向同一方向运动,

13、 表明导轨不平. 认真仔细调节水平螺钉, 直到滑行器在导轨任意位置上基本保持静止不动, 或稍有滑动, 但不总是向同一个方向滑动, 即可认为已基本调平. 一般要在导轨上选取几个位置做这样地调节 .b. 动态调平法：将气轨与计时器配合进行调平, 仪器接通电源, 仪器功能选择在“间隔计时”档上，两个光电门间距不小于30cm卡装在导轨上, 在导轨两端装上弹射器，滑行器装上挡光片（如1cm一种），给气轨通气， 让滑行器以一定地速度从导轨地左端向右端运动（或者滑行器在导轨以一定速度向右运动），先后通过两个光电门G1和G2,计时器就分别计下 了滑行器装上挡光片L宽度，通过两个光电门地时间4 t1和AtZ.若

14、Atl >At2,即滑行器通过 G2地光电门时间短，表明滑行器运动速度 加快，导轨左高右低，滑行器做加速运动；若ati <At2,表明滑行器做减 速运动，导轨左低右高，细心调节水平调节螺钉，11与At2地时间差值 尽量小，直至tl = 412,但由于受空气地粘滞阻力地影响，1 At2, 只要Atl比At2稍微大些，即可视为导轨已基本调平了 .个人收集整理资料,仅供交流学习,勿作商业用途附录2JMS-1计时计数测速仪(存贮式数字毫秒计)使用说明书一.概述JMS-1计时计数测速仪具有存储功能，时基精度高(微秒级)地测量时 间间隔地数字计量仪器.它可做计数.计时等使用.本仪器采用 MCS

15、-51单片微型计算机为核心，智能度高，数据存储和 处理能力强，操作简便，小数点.单位和量程自动定位.换档，且自动进入 四舍五入智能化显示数据.除了具有一般计时器地功能外，与QDG-2型气 垫导轨.自由落体实验仪.转动惯量实验仪等配合使用，还能测量速度.加 速度.重力加速度.角加速度.周期等物理量和碰撞等实验，并直接显示实 验地速度和加速度及角加速度地值.二.技术性能1 .工作条件电源 :AC. 220x (1±10%) V,50x (1±5%) Hz.环境温度：-10 C-+40C .相对湿度：不大于85% (40C).工作时间：连续工作.2 .外形尺寸：约 230mmx2

16、10mmx100mm1:约 2.5kg.3 .技术参数：见下表项目JMS-1 型1时基精度石英晶体振荡器采用6MHz1MHzt 10Hz2数据显示五位高为16.24mm高亮度LED数码显示四个LED单位显示，八个LED功目匕指小'，3计数范围0999994计时范围0.00ms 99999s5速度范围0.00 999cm/s6加速度范围0.00 999cm/s27周期0.00ms 99999s8时标周期0.1ms,1ms,10ms,100ms,1s9时标幅度不小于5V10直流稳压输出6V/0.5A11光电门2个三.面板及后盖1 .面板示意图及说明1:见下图/仃己DIOETAL1）数据显示

17、窗口：显示测量数据.光电门故障信息等2）单位显示：s.ms.cm/s.cm/s2或不显示（计数时不显示单位）.3）功能:C一计数 a 加速度S1 （ （3）一角加速度g一重力加速度S2 一间隔计时Col 一碰撞T一振子周期Sgl 一时标4）【功能】键：功能选择.5）【清零】键：清除所有实验数据.6）【停止】键：停止测量，进入循环显示数据或锁存显示数据.7）【6V/同步】键：与自由落体试验仪或斜梢轨道配合使用.（使用方法见（四.7）2 .后盖示意图说明2:见下图1）保险管座：熔断丝管管座.2）外接地线接线柱；3）自由落体接口插座：与自由落体试验仪配合，测重力加速度用.也可与 斜梢轨道配合测重力加

18、速度，详见本说明四.7条.4）档光框宽度选择开关：配合气垫导轨实验所用挡光框使用.（使用方法见（五.5）5）电源输入：交流220V输入.6）电源开关;7)时标输出;8) 2号光电门输入插座；9) 1号光电门输入插座.10) S1与(3功能转换键四.操作使用说明1 .实验前准备工作，光电门和显示器件地自检.1.1 实验前准备工作将两个光电门插头插入1号.2号光电门插座；接上220V交流电源，打开电源开关；开机后自动进入自检状态；依次按【功能】键，选择需要地实验功能.循环顺序如下：自检> 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 光电门和显示器件地自检开机或按【功能】键选择自检功能，都将进入自检状态：当光电门无 故障时，屏幕循环显示各显示器件；当光电门发生故障时(如：接触不良. 损坏.遮挡光电门或光电门输入电路出现故障等)，屏幕将闪烁着该光电 门地号码，不做循环显示工作.这时,必须先排除故障，程序才能继续运 行.2 . “C 一计数用挡光片对任意一个光电门遮光一次，屏幕显示即累加一个数.按【停止】键，立即锁存数值，停止计数.按【清零】键，清除所有实验数据，又可重新做实验.3.s1与（3共用一个键，两个

20、功能通过后盖地“ s1. B”完成功能转换.3.1. “S1” 一遮光计时用挡光片对任意一个光电门依次遮光，屏幕依次显示出遮光次数和遮光时间.可连续作1255次实验，但只存储前10个数据.按【停止】键，立即循环显示存储地时间数据.按【清零】键，清除所有实验数据，又可重新做实验.3.2. “ （3 ” 一测角加速度功能单位“ rad/s2 ”挡挡挡挡光第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图“ B ”功能为了配合转动惯量测定仪测定物体地转动惯量，在原设备功能地基础上增加了测角加速度“ B ”功能，使用“ （3 ”功能时,只

21、用1号光电门 （2号光电门可以闲置），配合转动刚体测角加速度进行实验.根据测转个人收集整理资料，仅供交流学习，勿作商业用途动惯量实验地要求在仪器后盖调节间隔角度360°或180° .光电门首次挡光启动机内计时器. 转动刚体上地挡光体多次通过光电门进行挡光, 屏幕及时显示挡光次数地号码（1.2.3 ）按 停止 键后 , 屏幕循环显示挡光地次数n. 和 n+1 段时间和.停止键是屏幕显示切换键，屏幕显示可在t n和B n值之间切换.按“清零”键 , 清除所有实验数据, 又可重新做实验.4. “S2' 一间隔计时用挡光框对任意一个光电门依次挡光, 屏幕依次显示出挡光间隔地

22、次数和挡光间隔地时间.可连续作1255次实验，只存储前10个数据.按【停止】键后, 先依次显示测量地间隔时间数据, 再依次显示与之对应地速度数据, 并反复循环.按【清零】键, 清除所有实验数据, 又可重新做实验.5. “T” 一测振子周期用弹簧振子或单摆振子配合一个光电门和一个挡光片作实验.（挡光片宽度不小于3mm）在振子上粘上轻小地挡光片, 使挡光片通过光电门作简谐振动.屏幕仅显示振动次数，待完成了第n （1-255任选）个振动之后（既屏幕显示出n+1） , 立即按【停止】键. 这时 , 屏幕便自动循环显示n 个振动周期及n次振动时间地总和.当n>10时只显示前10个振动周期和n次振动

23、时间地总和.6. “a” 一测加速度配合气垫导轨. 挡光框和两个光电门作运动体地加速度实验. 运动体上地挡光框通过两个光电门之后自动进入循环显示：t1: 挡光框通过第一个光电门地时间（不是指1 号光电门 , 是指实验地顺序） ；t2: 挡光框通过第一个光电门至第二个光电门之间地间隔时间；t3: 挡光框通过第二个光电门地时间；V1: 挡光框通过第一个光电门时地速度；V2: 挡光框通过第二个光电门时地速度；a: 挡光框从第一个光电门到第二个光电门之间地运动加速度. 按 【清零】键 , 清除所有实验数据, 又可重新做实验.7. “g” 一测重力加速度7 1 配合自由落体实验仪作实验a. 把自由落体实

24、验仪地地光电门插头插入后盖上地自由落体插座.b. 拔下 1 号光电门和2 号光电门插座上地光电门.c.接上220V交流电源，打开电源开关.d.按【功能】键，选择“g”档.e.把【6V/同步】键拨到“6V处，这时自由落体实验仪地电磁铁电源被接通 , 吸住钢球 .f. 按【清零】键, 清除数据.g.把【6V/同步】键拨到“同步”处，电磁铁断电，钢球被释放，计时器同步计时 .h. 待钢球通过其中一个光电门后, 实验即自行结束, 自动进入循环显示2个人收集整理资料，仅供交流学习，勿作商业用途个实验数据，分别为：t1:钢球自0cm处下落到光电门所用地时间;t2:钢球通过光电门地时间.注意！自由落体地实验

25、只需要一个光电门，必须使另一个光电门保持光照 状态才能正常工作L图3此图是从本仪器外向内看自由落体插座地接线位置按【清零】键，清除所有实验数据，又可重新做实验.7. 2.配合斜梢轨道因有地斜梢轨道原采用PMO集成电路地连接方式，应改接CMO齿式, 所以应先把斜梢轨道上两只光电门中光敏三极管8. “Col” 一完全弹性碰撞实验适用于两物体分别通过两个光电门相向碰撞 ，且碰撞后分别反向通过两个光电门地完全弹性地碰撞实验（其它非完全弹性地碰撞实验可用“S2功能完成）.配合气垫导轨作完全弹性碰撞实验 ，使用两个挡光框和两个光电门作实验.两个挡光框完成完全弹性碰撞实验之后自动进入循环显示4个时间数据和4个速度数据分别为：t1