气垫导轨上验证动量守恒定律.doc

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的一个非常重要的物理量。动量守恒，是最早发现的一条守恒定律。如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零，那么这个系统的总动量保持不变，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的守恒定律之一，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的普遍规律，在微观粒子作高速运动（速度接近光速）的情况下，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的基础定律。它是一个实验规律，也可用牛顿第三定律和动量定理推导出来。实验目的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的相应使用说明书）。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的总动量应保持不变。设两个滑行器的质量分别为M1和M2，相碰前的速度分别为V1和V2，相碰后的速度为V1和V2，则根据动量守恒定律有： M1V1+M2V2=M1V1+M2V2只要测出两个滑行器在碰撞前后的速度,称出质量,即可验证动量守恒定律。实验内容1、弹性碰撞1.1 实验装置见图1图1 弹性碰撞实验装置示意图1.2 在导轨的安装滑轮端装上弹射架,两光电门分别置于导轨30cm和80cm处，调整导轨的水平；1.3 两个滑行器上分别安装上1cm的挡光片，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的质量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的中间发生碰撞，发生碰撞后，各自朝相反的方向运动，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的相对应V1、V1、V2、V2的速度。1.7 将上述的测定的速度和计算的滑行器的质量代入（4.1）式中计算，在误差范围内，有M1V1+M2V2=M1V1+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2图2 完全非弹性碰撞实验装置示意图2.2 在导轨的两端各自装上弹射器，光电门分别置于导轨30cm和80cm处，调整导轨的水平。2.3 两个滑行器上分别安装上1cm的挡光片和一端装上搭扣。2.4 用天平分别称出两个滑行器的质量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放在导轨的进气口端。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的对应V1、V2的速度。2.7 将上述的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的主要因素是什么？2.请说明动量守恒的条件？请举例说明动量守恒的实际应用？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一、概述气垫导轨是利用气垫原理进行工作的，它利用微音气泵将压缩空气打入导轨的空腔里，再由导轨表面按一定规律分布的许多小孔中喷射出，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，只受到很小的空气粘滞阻力的影响，能量损失极小，故滑行器的运动可以近似地看作是无摩擦阻力的运动。极大地减少了力学实验中由于摩擦力引起的误差，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、学生分组实验的理想仪器。二、技术性能1、导轨工作面：QDG-2-1.2型长度1200mm；QDG-2-1.5型长度1500mm；QDG-2-2.0型长度2000mm；2、 导轨纵向竖直平面内的直线度：全长0.10mm；任意400mm长度0.05mm；3、导轨工作面的夹角：90+0.1；4、导轨工作面的表面粗糙度：Ra3.25、导轨脚距：QDG-2-1.2型：600mm；QDG-2-1.5型：800mm；QDG-2-2.0型：1100mm。6、喷气孔孔径：0.8mm；7、导轨进气口的外径：30mm；8、滑行器：QDG-2-1.2型：长度121mm，质量约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：040；11、相对湿度：不大于90%RH；12、要求气源压强：不小于5.8kPa。三、仪器特点、结构、配套1、导轨是气垫导轨的主体，采用优质合金铝型材制成，轻便、机械强度高，特殊的结构设计更增加了它的机械强度，长期使用不易变形，出厂前由精密机加工保证了它的直线度。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的观察。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、气垫导轨的附件比较多，安装前必须认真阅读一下说明书及附图1，认识每个附件的用途及安装位置。2、气垫导轨的实验精度高，应选用稳固、平整的实验桌放置仪器，放置时先将调平架用两个螺钉紧固在导轨底部，安装滑轮的一端伸出桌面，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，垫脚的平面一侧贴在桌面上，垫脚和调平螺钉的尖端放凹槽中。3、滑轮安装在导轨前端的堵板上，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，使空气进入导轨的空腔里后用手指贴在导轨的工作面逐个检查气孔是否畅通，如果有被堵塞气孔，用 0.5mm的钢丝针清除堵塞物，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，滑行器的滑行速度不宜过小和过大，速度以50cm/s左右为宜。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，将附件中的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的直线度精度较高,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,要将导轨和滑行器的工作面用干净软布擦试干净。导轨在存放时竖直挂起存放为佳,不要放置在潮湿或有腐蚀性气体的地方。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的实验仪器。配套上海实博实业有限公司所生产各种型号的智能计时计数器、低噪音气泵，可以完成新教材中所规定很多的力学实验。2、导轨的调平：导轨调整水平是实验前的重要准备工作，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，观察滑行器的运动状态。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，则导轨是水平的；如滑行器都向同一方向运动，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的调节。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，让滑行器以一定的速度从导轨的左端向右端运动（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，通过两个光电门的时间t1和t2。若t1t2，即滑行器通过G2的光电门时间短，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t1t2，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，t1与t2的时间差值尽量小，直至t1t2，但由于受空气的粘滞阻力的影响，t1t2，只要t1比t2稍微大些，即可视为导轨已基本调平了。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)的测量时间间隔的数字计量仪器。它可做计数、计时等使用。本仪器采用MCS-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的功能外，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，并直接显示实验的速度和加速度及角加速度的值。二、技术性能1、工作条件电源：AC. 220x（110）V，50x（15）Hz。环境温度：-10+40。相对湿度：不大于85（40）。工作时间：连续工作。2、外形尺寸：约230mmx210mmx100mm。重量：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6MHz1MHz10Hz2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功能指示，3计数范围0999994计时范围0.00ms99999s5速度范围0.00999cm/s6加速度范围0.00999cm/s27周期0.00ms99999s8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1）数据显示窗口：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计数 a加速度 S1 ()角加速度 g重力加速度 S2间隔计时 Col碰撞 T振子周期 Sgl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槽轨道配合使用。(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。也可与斜槽轨道配合测重力加速度，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，光电门和显示器件的自检。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，选择需要的实验功能。循环顺序如下：1.2 光电门和显示器件的自检开机或按【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的号码，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”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与共用一个键,两个功能通过后盖的“s1、”完成功能转换。3.1、“S1”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，立即循环显示存储的时间数据。按【清零】键，清除所有实验数据，又可重新做实验。3.2、“”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# 1# 2# tn/n-1 n# t3/2 t2/1 t1图“”功能 为了配合转动惯量测定仪测定物体的转动惯量，在原设备功能的基础上增加了测角加速度“”功能，使用“”功能时，只用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。根据测转动惯量实验的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。转动刚体上的挡光体多次通过光电门进行挡光，屏幕及时显示挡光次数的号码（1、2、3-）按停止键后，屏幕循环显示挡光的次数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”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的次数和挡光间隔的时间。可连续作1255次实验，只存储前10个数据。按【停止】键后，先依次显示测量的间隔时间数据，再依次显示与之对应的速度数据，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”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）在振子上粘上轻小的挡光片，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（1255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次振动时间的总和。当n10时只显示前10个振动周期和n次振动时间的总和。6、“a”测加速度配合气垫导轨、挡光框和两个光电门作运动体的加速度实验。运动体上的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的时间（不是指1号光电门，是指实验的顺序）；t2: 挡光框通过第一个光电门至第二个光电门之间的间隔时间；t3: 挡光框通过第二个光电门的时间；V1: 挡光框通过第一个光电门时的速度；V2: 挡光框通过第二个光电门时的速度；a: 挡光框从第一个光电门到第二个光电门之间的运动加速度。按【清零】键，清除所有实验数据，又可重新做实验。7、“g”测重力加速度71配合自由落体实验仪作实验a. 把自由落体实验仪的的光电门插头插入后盖上的自由落体插座。b. 拔下1号光电门和2号光电门插座上的光电门。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的电磁铁电源被接通，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个实验数据，分别为：t1: 钢球自0cm处下落到光电门所用的时间；t2: 钢球通过光电门的时间。注意！自由落体的实验只需要一个光电门，必须使另一个光电门保持光照状态才能正常工作。图3此图是从本仪器外向内看自由落体插座的接线位置按【清零】键，清除所有实验数据，又可重新做实验。72、配合斜槽轨道因有的斜槽轨道原采用PMOS集成电路的连接方式，应改接CMOS方式，所以应先把斜槽轨道上两只光电门中光敏三极管8、“Col”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的完全弹性的碰撞实验（其它非完全弹性的碰撞实验可用“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: 碰撞前挡光框通过1号光电门的时间；t2: 碰撞后挡光框通过1号光电门的时间；t3: 碰撞前挡光框通过2号光电门的时间；t4: 碰撞后挡光框通过2号光电门的时间；V1.0: 碰撞前挡光框通过1号光电门的速度；V1.1 : 碰撞后挡光框通过1号光电门的速度；V2.0: 碰撞前挡光框通过2号光电门的速度；V2.1: 碰撞后挡光框通过2号光电门的速度；并如此反复循环。按【清零】键，清除所有实验数据，可重新做实验。9、“Sgl”时标输出按【功能】键，选择Sgl档，再依次按【功能】键可选择时标周期(屏幕随着依次按【功能】键显示时标周期为:0.1ms,1ms,10ms,100ms,1s)；后盖上的时标插座输出幅度不低于5V的脉冲信号。按【清零】键，清除所有实验数据，又可重新做实验。开机后，后盖上的6V输出即可作6V/0.5A直流稳压电源使用。五、使用注意事项1、仔细阅读说明书，再使用仪器。2、两个光电门必须同时插入1、2号光电门。但千万不得插进自由落体接口插座，否则会损坏光电门。(该口输出的是交流信号).3、与斜槽轨道配合使用时，应先对斜槽轨道上光电门的接 线进行检查，若用PMOS集成电路的连接线路需修改后才能使用， 详见本说明四.7条。4、挡光片或挡光物的宽度应3mm，档光框或光照孔的宽度应5mm。5、仪器后盖上的【挡光框宽度或转盘角度选择开关】在使用S2、a、Col及“”档功能时，需将开关拨在与所选择挡光框宽度或转动惯量实验仪二次挡光间隔相对应的位置上; 该开关共有四个状态： 1cm 3cm 5cm 10cm 360 E E 180 E指显示错误6、后盖上设置的【地线插座】，使用时应可靠接地。六、仪器成套性JMS-1计时计数测速仪1台2. JMS-1使用说明书1本3. 光电门 2套4. 地线插头 1件5. 熔断丝管（0.3A）2支6. 干燥剂 1袋