大学物理实验教案-验证动量守恒定律

实验名称： 验证动量守恒定律

实验目的：

1．观察弹性碰撞和完全非弹性碰撞现象。

2．验证碰撞过程中动量守恒和机械能守恒定律。

实验仪器：

气垫导轨（L-QG-T-1500/5.8） 滑块 电脑通用计数器（MUJ-ⅡB） 电子天平 游标卡尺 气源 尼龙粘胶带 实验原理：

当两滑块在水平的导轨上沿直线作对心碰撞时，若略去滑块运动过程中受到的粘滞性阻力和空气阻力，则两滑块在水平方向除受到碰撞时彼此相互作用的内力外，不受其它外力作用。故根据动量守恒定律，两滑块的总动量在碰撞前后保持不变。

设如图12-1所示，滑块1和2的质量分别为m1和m2，碰撞前二滑块的速度分别为v10和v20，碰撞后的速度分别为v1和v2，则根据动量守恒定律有：

????m1v10?m2v20?m1v1?m2v2 (12-1)

若写成标量形式为： m1v10?m2v20?m1v1?m2v2 (12-2)

v10Av20?0B12

Av1Bv212图12-1

式中各速度均为代数值，各v值的正负号决定于速度的方向与所选取的坐标轴方向是否一致，这一点要特别注意。

牛顿曾提出“弹性恢复系数”的概念，其定义为碰撞后的相对速度与碰撞前的相对速度的比值。一般称为恢复系数，用e表示，即： e?v2?v1 (12-3)

v10?v20当e?1时为完全弹性碰撞，e?0为完全非弹性碰撞，一般0?e?1为弹性碰撞。气轨滑块上的碰撞弹簧是钢制的，e值与1，还是有差异的，因此在气轨上不能实现完全弹性碰撞。 1．弹性碰撞

取大小两个滑块(m1?m2)，将滑块2置于A、B光电门之间，使v20?0。推动滑块1以速度v10去撞滑块2，碰撞后速度分别为v1和v2，则：

m1v10?m1v1?m2v2 (12-4)

碰撞前后的动能的变化为：

?Ek?1122 (12-5) (m1v12?m2v2)?m1v1022实际实验时，由于滑块运动受到一定的阻力，又由于导轨会有少许的弯曲，在A门测出的速度v1A，在B门测出的速度v1B和v2B，都和碰撞前后瞬间相应的速度有些差异，减少差异的办法之一，是尽可能缩短碰撞点到测速光电门间的距离。办法之二是进行速度修正。 2.完全非弹性碰撞

此时e?0,将滑块2置于光电门AB间，而且v20?0，滑块1以速度v10去撞滑块2，碰撞后两滑块粘在一起以同一速度v2运动。为了实现此类碰撞，要在二滑块上加上尼龙胶带。碰撞前后的动量关系为：

m1v10?(m1?m2)v2 (12-6)

动能变化为： ?Ek?1122 (12-7) (m1?m2)v2?m1v1022实际实验时，由于滑块运动受到一定的阻力，又由于导轨会有少许的弯曲，在A门测出的速度v1A，在B门测出的速度v1B和v2B，都和碰撞前后瞬间相应的速度有些差异，减少差异的办法之一，是尽可能缩短碰撞点到测速光电门间的距离。办法之二是进行速度修正。

实验内容

1、 接上气源及电脑计时器电源线，打开电源开关。

2、 用纱布沾少许酒精擦拭轨面（在供气时）和滑块表面，用薄纸片小条检查气孔有否

堵塞。

3、 检查计时系统

（1） 选择计时S1功能和ms档；调节光电门的螺丝，便光电门与导轨垂直；来回滑动滑块，看是否能顺畅通过两个光电门；

（2） 用U型挡光片遮光，观察显示计数是否正常； 4、 调平气轨，检查滑块碰撞弹簧，保证对心碰撞 5、 弹性碰撞

适当安置光电门A、B的位置（AB?30cm），使能顺序测出三个速度v1A?d1t10（滑块1通过A门的速度）、v2B?d2d（滑块2在B门的速度）、v1B?1（滑块1t2t1在B门的速度）并在可能的条件下，使A、B的距离小些．每次碰撞时，要使v20?0，速度v10?60cm/s左右，碰撞次数6～10次。 6、 完全非弹性碰撞

在二滑块的相对的碰撞面上加上尼龙胶带 (碰撞弹簧要移开)，进行碰撞，仍然使

v20?0，速度v10?60cm/s左右，碰撞次数6～10次，测出碰前v1A?d1（滑块1t10通过A门的速度）、碰后速度v2B?d2（滑块1、2在B门的速度）、完成表格12－2。 t27、 用物理天平称出两个滑块的质量m1、m2。

实验数据记录：

1. 完全弹性碰撞

m1? d1? m2? d2?

测量号 碰 前 碰 后 t10 v10/m/s v20/m/s t1 0 0 0 0 v1/m/s t2 v2/m/s C?P1 P2?Ek/10?7J e 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 0 0 0 0 10

2. 完全非弹性碰撞

m1? d1? m2? d2?

碰 前 测量号 碰 后 t10 v10/m/s v20/ m/s 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 t2 v2/ m/s C? P1 P2?Ek/10?7J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

实验数据处理：

1. 分别计算两类碰撞，碰撞前后动量的比C?P末P初； 2. 分别计算两类碰撞，碰撞前后动能的变化?Ek； 3. 非完全弹性碰撞时的恢复系数e； 4. 对实验结果作分析和评价

【思考题】

1．为了验证动量守恒，在本实验操作上如何来保证实验条件，减小测量误差。

2．为了使滑块在气垫导轨上匀速运动，是否应调节导轨完全水平？应怎样调节才能使滑块受到的合外力近似等于零？

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