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1m 和2m ，碰撞前二滑块的速度分别为10

v 和20v ，碰撞后的速度分别为1v 和2v ，则根据动量守恒定律有：

2211202101v m v m v m v m

+=+ (12-1)

若写成标量形式为： 2211202101v m v m v m v m +=+ (12-2)

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。

图12-1

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： 20

101

2v v v v e --=

(12-3)

当1=e 时为完全弹性碰撞，0=e 为完全非弹性碰撞，一般10<

取大小两个滑块)(21m m >，将滑块2置于A 、B 光电门之间，使020=v 。推动滑块1以速度10v 去撞滑块2，碰撞后速度分别为1v 和2v ，则：

2211101v m v m v m += (12-4)

碰撞前后的动能的变化为：

2

10

12222112

1)(21v m v m v m E k -+=

∆ (12-5) 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A v 1，在B 门测出的速度B v 1和B v 2，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0=e ,将滑块2置于光电门AB 间，而且020=v ，滑块1以速度10v 去撞滑块2，碰撞后两滑块粘在一起以同一速度2v 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：

221101)(v m m v m += (12-6)

动能变化为： 2

10

122212

1)(21v m v m m E k -+=

∆ (12-7) 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A v 1，在B 门测出的速度B v 1和B v 2，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1S 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（cm AB 30=），使能顺序测出三个速度10

1

1t d v A =

（滑块1通过A 门的速度）、222t d v B =

（滑块2在B 门的速度）、1

11t d

v B =（滑块1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020=v ，速度s cm v /6010=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

020=v ，速度s cm v /6010=左右，碰撞次数6～10次，测出碰前10

1

1t d v A =

（滑块1通过A 门的速度）、碰后速度2

2

2t d v B =

（滑块1、2在B 门的速度）、完成表格12－2。 7、 用物理天平称出两个滑块的质量1m 、2m 。

实验数据记录：

1. 完全弹性碰撞

1m = =1d 2m = =2d

2. 完全非弹性碰撞

1m = =1d 2m = =2d

实验数据处理：

1. 分别计算两类碰撞，碰撞前后动量的比初末P P C =；

2. 分别计算两类碰撞，碰撞前后动能的变化k E ∆；

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？