碰撞过程中冲量的研究

实验碰撞过程中冲量的研究

两物体发生碰撞，在短暂的时间内速度有很大的变化。由动力学基本原理可知，在碰撞的时间间隔内物体相互的作用力将非常大。称这种在短暂时刻发生远大于普通力的力称为碰撞力。碰撞可分为完全弹性碰撞，一般碰撞和完全非弹性碰撞。碰撞力的冲量称为碰撞冲量，它是过程量，表述了对物体作用一段时间的积累效应，是改变物体机械运动状态的原因。本实验采用动力学小车系统和传感器技术实现冲量的实时测量。

【实验目的】

1、理解冲量的物理意义，掌握测量冲量的方法。

2、验证动量定理。

3、比较完全弹性碰撞、一般碰撞和完全非弹性碰撞过程中的冲量变化。

【实验仪器】

计算机（含Datastudio软件）、PACSO物理实验组合仪、数据采集接口器。

【实验原理】

当一个物体撞击到一个障碍物，随着撞击的发生作用到物体上的力会变化。为了描述碰撞瞬间的作用，引入冲量的概念。冲量I是作用力F在时间t内的积累效果。不是瞬时效果。它描述的是作用力在一段时间内总的“作用”多大和方向。

(1)

冲量取决于力和时间两个因素，较大的力在较短的时间内的积累效果，可以和较小的力在较长时间内的积累效果相同。为了减小碰撞过程的冲击力，我们通常采用各种方法增大碰撞时间。如较大的驾驶室空间，安全气囊，车内的安全带，弹性绳索，有弹性的安全网等。

物体在一个过程始末的动量变化量等于它在这个过程中所受的力的冲量，这个关系叫做动量定理。

(2)

其中m为物体的质量，V i和V f分别为物体碰撞前后的物体的速度。即冲量等于物体动量的改变量，不论是完全弹性碰撞、一般碰撞还是完全非弹性碰撞。

【仪器介绍】

实验装置如图1所示。1.20米的水平导轨的一端为运动传感器，用于测量动力学小车的运动情况，如小车的位移，速度和加速度随时间的变化。导轨的另一端为力传感器，用于测量动力学小车碰撞过程中的受力情况。力传感器的测力端有弹簧、磁体（和小车的磁体同极）、金属和橡皮泥，分别用于模拟完全弹性碰撞、一般碰撞和完全非弹性碰撞。

图1实验装置图，水平导轨左端为力传感器，中间为动力学小车，导轨右端为运动传感器【实验内容和步骤】

一、基础部分

1、用电子秤测量出动力学小车的质量m。

2、调整导轨底部螺丝使导轨保持水平，在力传感器上安装弹簧，把小车轻置于水平导轨上

方，使之能与弹簧水平碰撞。

3、把运动传感器的输入插头接到数据采集接口器的1，2端口。把力传感器的输入插头接到

数据采集接口器的A端口。如图2所示。

图2 运动传感器和力传感器和数据采集接口器的接线

4、打开电脑中的DataStudio软件，选择“创建实验”。点击实验设置窗口的数据采集接口器

的A端口，选取力传感器，其中采样率选取200；而后打开数据采集接口器的1，2端口，选取运动传感器，其中采样率选取40。如图3。点击“校正传感器”，分别校正两个传感器，而后点击确认。点击“采样选取”进行取样设置：延迟启动窗口可设置当“位置”

“高于”0.7m时启动，自动停止窗口可设置当“位置”“低于”0.7m时停止。

图3 实验设置窗口的数据采集接口器

5、把主窗口左下“显示”中的“图表”左键拖到左上“数据”中的“力，通道”，此时主

窗口右边出现一个横坐标为时间，纵坐标为力的坐标系。再把“数据”中的“速度，通道1和2”左键拖到右边的坐标系，此时主窗口右边同时出现两个坐标系（力-时间，速度-时间）。

6、按下力传感器侧面的“tare”按钮，使得力传感器归零。注意每次碰撞前力传感器都需

要归零。点击软件中的“启动”，然后给动力学小车一个初速度，使之与力传感器碰撞。

此时主窗口中显示出整个碰撞过程中力和速度随时间的变化情况。在力-时间坐标系中点击主窗口中“Σ”，选中全部显示和区域即可获得出冲量I的大小。如图4。从速度-时间坐标系可获得小车碰撞前后的速度大小，计算出动量改变量∆P。记录下碰撞过程中力-时间和速度-时间的变化曲线。计算冲量和动量改变量之间的相对不确定度。

图4 碰撞后速度和力随时间的变化

7、卸下力传感器的弹簧，换上磁体或金属或橡皮泥，重复上诉实验内容，得出相应的实验

图形曲线，计算其冲量和动量改变量。

实验数据记录表

【注意事项】

1、测量过程中，保持水平导轨水平。

2、力传感器最大作用力小于50N。

3、每次碰撞前力传感器要归零。

【预习题】

1、碰撞的定义。

2、碰撞的分类，不同碰撞过程中动量和动能如何变化？

3、解释安全气囊，车内的安全带的作用。

【思考题】

1、为什么计算得到的动量变化与测得的冲量并不完全相同，说出可能的原因?

2、分析动力学小车在完全弹性碰撞、一般碰撞和完全非弹性碰撞过程中，动量和冲量的关

系。