大學(xué)物理試驗-碰撞實驗

實驗名稱虛擬仿真實驗3:長度測量誤差配套姓名學(xué)號同組同學(xué)（學(xué)號）班級20葡萄酒實驗時間和地點西一教學(xué)樓407實驗簡介妙趣橫生的臺球、刺激過癮的碰碰車等也是遵從動量守恒規(guī)律的。只要質(zhì)點系的動量守恒，人們可以用多種方式改變部分系統(tǒng)的速度，使其他部分產(chǎn)生所需的速度或動量來為人們所利用。同樣，若研討物理理論脫離實踐應(yīng)用，則顯得毫無意義，因此，我們學(xué)好理論的同時，更應(yīng)該大膽創(chuàng)新，讓理論指導(dǎo)我們的實踐，服務(wù)于我們的生活，這才是真正的學(xué)以致用。在力學(xué)實驗中，摩擦力的存在會帶來許多不便，使某些力學(xué)實驗結(jié)果的誤差很大，甚至使有些實驗無法進行。采用氣墊技術(shù)可以克服這一困難，使力學(xué)現(xiàn)象更加真實、直觀，同時采用光電計時裝置測定物體運動時間，從而可以在比較理想的條件下用實驗方法精確地測定物體的速度、加速度及在外力作用下的運動定律。實驗原理1.驗證動量守恒定律如果一個系統(tǒng)所受的合外力為零，則該系統(tǒng)總動量保持不變，這一結(jié)論稱為動量守恒定律。本實驗研究兩滑塊在氣墊導(dǎo)軌上做水平方向上對心碰撞，可以近似認(rèn)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(shè)兩滑塊的質(zhì)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(fù)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(dāng)取=0時，由式(1)、式(2)可得碰撞前后速度關(guān)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(shè)碰撞后兩滑塊的共同速度為，則(4)當(dāng)取=0時，則有(5)恢復(fù)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(fù)系數(shù)，用符號e表示(6)通常可以根據(jù)恢復(fù)系數(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(shè)碰撞后和碰撞前動能之比為R，即(7)經(jīng)過推導(dǎo)可得(8)從式(8)仍可看出，只有當(dāng)=1時，動能才守恒。當(dāng)=0時，，若取，則。由式(8)可知，當(dāng)由實驗求出恢復(fù)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(dǎo)軌的一側(cè)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(shè)置于導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(jīng)過△x距離所用的時間△t，于是，△x/△t即可近似認(rèn)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1三、實驗內(nèi)容1.調(diào)整檢驗使氣墊導(dǎo)軌處于水平狀態(tài)判斷導(dǎo)軌是否處于水平有兩種方法：“靜態(tài)法”和“動態(tài)法”。當(dāng)用“靜態(tài)法”進行調(diào)節(jié)時，將滑塊置于已通氣的導(dǎo)軌上，調(diào)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(dāng)用“動態(tài)法”進行調(diào)節(jié)時，要求滑塊在沿同一方向運動的過程中經(jīng)過兩光電門的時間近似相等，即可認(rèn)為導(dǎo)軌已調(diào)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(zhì)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(dǎo)軌的一端。碰撞前，迅速對滑塊1施一與相反且與導(dǎo)軌平面平行的力，使滑塊1運動到與導(dǎo)軌端彈簧圈相碰反彈回來，產(chǎn)生初速度，記下滑塊1經(jīng)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(jīng)過光電門2的時間。5)重復(fù)測量3次，將測量數(shù)據(jù)填入表1內(nèi)。(2)令，。1)用天平稱出兩重塊的質(zhì)量，加在滑塊1上。2)仿照上述步驟，記下滑塊1經(jīng)過光電門1的時間，以及碰撞后滑塊2和滑塊1先后經(jīng)過光電門2的時間和(注意：在滑塊2經(jīng)過光電門2運動到導(dǎo)軌的一端時，應(yīng)使它靜止，否則由于彈回而影響時間的測量)。3)重復(fù)測量3次，將測量數(shù)據(jù)填入表2內(nèi)。四、實驗儀器本實驗所用到的實驗儀器有氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字毫秒計、滑塊、天平1.氣墊導(dǎo)軌實驗儀器和仿真儀器：實驗儀器仿真儀器操作方法：(1)雙擊打開氣墊導(dǎo)軌大視圖；(2)打開氣泵開關(guān)，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(dǎo)軌調(diào)平，調(diào)平方法：將滑塊放到氣墊上，調(diào)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(rèn)為已基本調(diào)平。(4)調(diào)水平后切換到縱向水平調(diào)節(jié)界面，調(diào)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(rèn)為已基本調(diào)平。2.數(shù)字毫秒計實驗儀器和仿真儀器：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(guān)，兩個檔位選擇分別為ms檔及S2計時2檔上；(3)鼠標(biāo)左鍵點擊轉(zhuǎn)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(biāo)左鍵點擊功能按鈕，右側(cè)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(jù)，S2計時：經(jīng)過兩擋光片之間空隙的時間，一次得到兩個數(shù)據(jù))；(5)鼠標(biāo)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(biāo)左鍵點擊“復(fù)位”按鈕儀器復(fù)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.滑塊實驗儀器和仿真儀器：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(biāo)左鍵點擊增加墊片按鈕，滑塊上增加一塊墊片；鼠標(biāo)左鍵點擊減少墊片按鈕，滑塊上減少一塊墊片；(3)鼠標(biāo)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(dǎo)軌上；(5)鼠標(biāo)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(biāo)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.天平實驗儀器和仿真儀器實驗儀器仿真儀器操作方法：(1)鼠標(biāo)將滑塊拖動到天平上，天平上顯示滑塊質(zhì)量讀數(shù)；五、實驗指導(dǎo)實驗重點1.了解氣墊導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)特點,了解數(shù)字毫秒計的結(jié)構(gòu)特點2.學(xué)會正確使用氣墊導(dǎo)軌和數(shù)字毫秒計。3.學(xué)習(xí)不等精度測量的數(shù)據(jù)處理方法。輔助功能介紹界面的右上角的功能顯示框：當(dāng)在普通做實驗狀態(tài)下，顯示實驗已經(jīng)進行的用時、記錄數(shù)據(jù)按鈕、結(jié)束操作按鈕；在考試狀態(tài)下，顯示考試所剩時間的倒計時、記錄數(shù)據(jù)按鈕、結(jié)束操作按鈕、顯示考卷按鈕(考試狀態(tài)下顯示)。右上角工具箱：可以打開計算器。右上角幫助和關(guān)閉按鈕：幫助按鈕可以打開幫助文件，關(guān)閉按鈕功能就是關(guān)閉實驗。實驗儀器欄：鼠標(biāo)選中儀器中的儀器，可以查看儀器名稱，在提示信息欄可以查看相應(yīng)的儀器描述。提示信息欄：顯示實驗過程中的儀器信息，實驗內(nèi)容信息，儀器功能按鈕信息等相關(guān)信息，按F1鍵可以獲得更多幫助信息。實驗內(nèi)容欄：顯示實驗名稱和實驗內(nèi)容信息(多個實驗內(nèi)容依次列出)，當(dāng)前實驗內(nèi)容顯示為橘黃色，其他實驗內(nèi)容為藍色；可以通過單擊實驗內(nèi)容進行實驗內(nèi)容之間的切換。切換至新的實驗內(nèi)容后，實驗桌上的儀器會重新按照當(dāng)前實驗內(nèi)容進行初始化。實驗操作方法1.主窗口介紹成功進入實驗場景窗體，實驗場景的主窗體如下圖所示：碰撞實驗主場景圖2.實驗操作介紹(1)鼠標(biāo)左鍵雙擊打開氣泵大視圖，點擊開關(guān)按鈕打開氣泵開關(guān)；(2)調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌的水平度，先調(diào)節(jié)導(dǎo)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(dǎo)軌在橫向上調(diào)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(zhì)量，其中較重的滑塊作為；(4)打開計時計數(shù)測速儀,將功能選在S2檔，將轉(zhuǎn)換至于ms檔；(5)將滑塊2拖動至氣墊導(dǎo)軌上的兩個光電門之間，將滑塊1拖動至導(dǎo)軌上有彈簧的一端與彈簧接觸；(6)鼠標(biāo)右鍵點擊滑塊并拖動鼠標(biāo)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(jīng)過光電門2后與尼龍搭扣碰在一起并停下，點擊計時器上的取數(shù)按鈕可以讀取滑塊1經(jīng)過光電門1的時間Δt10和滑塊2經(jīng)過光電門2的時間Δt2，并計入實驗數(shù)據(jù)表格中，計數(shù)以當(dāng)前數(shù)據(jù)記錄時間的先后排序；(8)點擊計時計數(shù)測速儀上的復(fù)位按鈕，清除所有記錄的數(shù)據(jù)；(9)重復(fù)4-7步測量共三次，讀取數(shù)據(jù)并進行動量守恒的驗證；(10)在滑塊1上加兩片墊片，用電子天平稱出其質(zhì)量；(11)重復(fù)前面的4-7步，并記下滑塊1與滑塊2碰撞后再次經(jīng)過光電門2的時間間隔；(12)根據(jù)實驗測的的數(shù)據(jù)驗證動量守恒定理；六、數(shù)據(jù)處理1.平衡調(diào)節(jié)設(shè)置兩滑塊的質(zhì)量相同，滑塊二初狀態(tài)靜止，，測量次數(shù)eRE%1198.64198.6413.2813.467.57.51489.81489.8112198.64198.6413.2813.377.57.51489.81489.8113198.64198.6