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试验:探究碰撞中的不变量
一、试验目的
1.明确探究物体碰撞中的不变量的基本思路。
2.探究一维碰撞中的不变量。
二、试验原理
1.探究思路
(1)一维碰撞:两个物体碰撞前沿同始终线运动,碰撞后仍沿这始终线运动,这种碰撞叫做一维碰撞。
(2)追寻不变量:在一维碰撞的状况下,设两个物体的质量分别为m1、m2,碰撞前的速度分别为v1、v2,碰撞后的速度分别为v1′、v2′,假如速度与规定的正方向一样,取正值,相反取负值。依次探讨以下关系是否成立:
①m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′;
②m1v12+m2v22=m1v1′2+m2v2′2;
③eq\f(v1,m1)+eq\f(v2,m2)=eq\f(v1′,m1)+eq\f(v2′,m2)。
探究以上各关系式是否成立,关键是精确测量和计算碰撞前与碰撞后的速度v1、v2、v1′、v2′。
2.试验方案
方案一:
利用小车在光滑桌面上碰撞另一静止小车实现一维碰撞,两小车碰撞端分别装上撞针和橡皮泥。试验装置如图所示。
(1)质量的测量:用天平测量质量。
(2)速度的测量:v=eq\f(Δx,Δt),式中Δx是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量。Δt为小车经过Δx所用的时间,可由打点间隔算出。这个方案适合探究碰撞后两物体结合为一体的状况。
方案二:利用等长悬线悬挂等大的小球实现一维碰撞,试验装置如图所示。
(1)质量的测量:用天平测量质量。
(2)速度的测量:可以测量小球被拉起的角度,依据机械能守恒定律算出小球碰撞前对应的速度;测量碰撞后两小球分别摆起的对应角度,依据机械能守恒定律算出碰撞后对应的两小球的速度。
(3)不同碰撞状况的实现:用贴胶布的方法增大两小球碰撞时的能量损失。
方案三:
利用气垫导轨实现一维碰撞,试验装置如图所示。
(1)质量的测量:用天平测量质量。
(2)速度的测量:利用公式v=eq\f(Δx,Δt),式中Δx为滑块(挡光片)的宽度,Δt为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门对应的时间。
(3)利用在滑块上增加重物的方法变更碰撞物体的质量。
(4)试验方法:
①用细线将弹簧片压缩,放置于两个滑块之间,并使它们静止,然后烧断细线,弹簧片弹开后落下,两个滑块随即向相反方向运动(图甲);
②在两滑块相碰的端面装上弹性碰撞架(图乙),可以得到能量损失很小的碰撞;
③在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥,碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两个滑块连成一体运动(图丙),这样可以得到能量损失很大的碰撞。
方案四:
利用斜槽实现两小球的一维碰撞,如图甲、乙所示。让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来,与放在斜槽前边小支柱上的另一质量较小的球发生碰撞,之后两小球都做平抛运动。
(1)质量的测量:用天平测量质量。
(2)速度的测量:由于两小球下落的高度相同,所以它们的飞行时间相等。假如用小球的飞行时间为时间单位,那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平速度。因此,只需测出两小球的质量m1、m2和不放被碰小球时入射小球在空中飞出的水平距离s1,以及碰撞后入射小球与被碰小球在空中飞出的水平距离s1′和s2′。若在试验误差允许的范围内m1s1与m1s1′+m2s2′相等,就验证了两个小球碰撞前后的不变量。
(3)让小球从斜槽的不同高度处起先滚动,进行多次试验。
三、试验器材
方案一:
光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥。
方案二:
带细线的小球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。
方案三:
气垫导轨、光电计时器、天平、滑块两个(带挡光片)、重物、弹簧片、细线、弹性碰撞架、撞针、橡皮泥。
方案四:
斜槽、两个大小相等而质量不等的小球、重垂线、白纸、复写纸、刻度尺、天平、螺旋测微器、圆规。
四、试验步骤
不论采纳哪种方案,试验过程均可按试验方案合理支配,参考步骤如下:
1.用天平测量两物体的质量m1、m2,填入预先设计好的表格中。
2.安装试验装置。
3.使物体发生碰撞。
4.测量或读出相关物理量,计算有关速度,填入预先设计好的表格中。
5.变更碰撞条件,重复步骤3、4。
6.进行数据处理,通过分析比较,找出碰撞中的守恒量。
7.整理器材。
碰撞前
碰撞后
质量m(kg)
m1
m2
m1
m2
速度v(m·s-1)
v1
v2
v1′
v2′
mv(kg·m·s-1)
m1v1+m2v2
m1v1′+m2v2′
mv2(kg·m2·s-2)
m1v12+m2v22
m1v1′2+m2v2′2
eq\f(v,m)(m·s-1·kg-1)
eq\f(v1,m1)+eq\f(v2,m2)
eq\f(v1′,m1)+eq\f(v2′,m2)
试验结论
五、误差分析
1.碰撞是否为一维碰撞,是产生误差
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