磁悬浮导轨上碰撞设计性实验研究

磁悬浮导轨上碰撞设计性实验研究

磁悬浮导轨碰撞设计性实验研究【实验目的】

了解磁悬浮的物理思想和永磁悬浮技术;

用两个磁悬浮滑块, 设计多种弹性和非弹性碰撞实验;

观察系统中物体间的各种形式的碰撞,考察动量守恒定律;

观察碰撞过程中系统动能的变化,分析实验中的碰撞是属于那种类型的碰撞【设计要求及实验内容】

设计一种相对弹性碰撞;

设计一种相对非弹性碰撞;

设计一种尾随弹性碰撞;

设计一种尾随非弹性碰撞;

以上实验需画出发生碰撞试验的示意图。设计数据记录和处理的表格,表格中必须列入动量增量和动能增量及其相对变化值。

【主要实验器材】

DHSY型磁悬浮动力学实验仪

DHSY型磁悬浮导轨实验智能测试仪

磁悬浮滑块

【实验原理、方法提示】

1. 磁悬浮原理

随着科技的发展,磁悬浮技术的应用成为技术进步的热点,例如磁悬浮列车。永磁悬浮技术作为一种低耗能的磁悬浮技术,也受到了广泛关注。本实验使用的永磁悬浮技术,是在磁悬导轨与滑块两组带状磁场的相互斥力作用之下,使磁悬滑块浮起来,从而减少了运动的阻力,来进行多种力学实验。

实验装置如图1所示。磁悬浮导轨实际上是一个槽轨,长约1.2米,在槽轨底部中心轴线嵌入钕铁硼NdFeB磁钢,在其上方的滑块底部也嵌入磁钢,形成两组带状磁场。由于磁场极性相反,上下之间产生斥力,滑块处于非平衡状态。为使滑块悬浮在导轨上运行,采用了槽轨。在导轨的基板上安装了带有角度刻度的标尺。根据实验要求,可把导轨设置成不同角度的斜面。

1.手柄

2.光电门Ⅰ

3.磁浮滑块

4.光电门Ⅱ

5.导轨

6.标尺

7.角度尺

8.基板 9计时器

图5.9.1 磁悬浮实验装置

图5.9.2 磁悬浮导轨截面图

2.碰撞

本实验是在磁悬浮导轨上进行的,提供三辆滑块;一辆滑块是一头装有弹簧;一辆滑块装有粘性尼龙毛,一辆滑块装有粘性尼龙刺。碰撞装置如图3所示。

设有两物,其质量各为和,碰撞前的速度各为,碰撞后的速度各为而且在碰撞的瞬间,此二物体构成的系统,在所考察的速度方向上不受外力的作用或所受的外力远小于碰撞时物体间的相互作用力,则根据动量守恒定律,系统在碰撞前的总动量等于碰撞后的总动量。即:

图5.9.3碰撞试验装置图

系统在碰撞前后的动能,却不一定守恒,根据动能的变化和运动状态,把碰撞分为三种类型:

(1)碰撞过程中没有机械能损失,系统的总动能保持不变,称为“弹性碰撞”。

(2)碰撞过程中有机械能损失,系统碰撞后的动能小于碰撞前的动能,称为“非弹性碰撞”。

(3)碰撞后两物体连接在一起运动,即两物体在碰撞后的速度相等,称为“完全非弹性碰撞”。

碰撞形式可以多种多样,就是在导轨上也可以有相对碰撞和尾随碰撞,速度方向可以相反亦也可以相同,亦是如此,亦也可以为零。3. DHSY型磁悬浮导轨实验智能测试仪使用方法

磁浮导轨上有两个光电门,本光电测试仪测定并存贮了运动滑块上的二条挡光片通过第一光电门时的第一次挡光与第二次挡光的时间间隔和通过第二光电门时的第一次挡光与第二次挡光的时间间隔,运动滑块从第一光电门到第二光电门所经历的时间间隔。根据两档光片之间的距离参数即可运算出滑块上两挡光片通过第一光电门时的平均速度和通过第二光电门时的平均速度。根据加速度

定义,在时间内的加速度为:。

根据测得的、、和键入的挡光片间隔值,经智能测试仪运算已显示,得、,;测试仪中显示的,,对应上述的、、。

(1)按‘功能’按钮,选择工作模式,选择加速度模式,相应指示灯亮。

(2)按‘翻页’按钮,可选择需存储的组号或查看各组数据。

(3)按‘开始’按钮,即开始一次测量过程,测量结束后数据会自动保存在当前组中。

4 测量数据依次显示顺序:加速度:t1?v1?t2?v2?t3?a,碰撞:At1?Av1?At2?Av2?Bt1?Bv1?Bt2?Bv2,对应的指示灯会依次亮,每个数据显示时间为2秒。

5 清除所有数据按‘复位’按钮。

(6 碰撞模式说明(碰撞模式:见表1)。左 |光电门1 光电门2 | 右

?????|?????????????????????|??????? ||

‘?’向右运动;‘?’向左运动;‘__0’静止

4.注意事项

实验做完后,磁浮滑块不可长时间放在导轨中,防止滑轮被磁化。

表一:实验设置模式及操作方法

模式初始状态结束状态

1 A位于光电门1左侧向右运动,B静止于两光电门之间A? B__0 A? B? A过光电门1光电门2后向右运动

B过光电门2后向右运动

2A?B__0 A? B? A过光电门1后折返向左运动

B过光电门2后向右运动

3A?B__0 A__0 B? A过光电门1后静止在两光电门中间

B过光电门2后向右运动

4 A位于光电门1左侧向右运动,B位于光电门2右侧向左运动A?B? A? B? A过光电门1光电门2后向右运动

B过光电门2后折返向右运动

5A?B? A? B? A过光电门1后折返向左运动

B过光电门2光电门1后向左运动

6A?B? A? B? A过光电门1后折返向左运动

B过光电门2后折返向右运动

7A?B? A__0 B? A过光电门1后静止在两光电门中间

B过光电门2后折返向右运动

8A?B? A? B__0 A过光电门1后折返向左运动

B过光电门2后静止在两光电门中间

9A?B? A__0 B__0 A过光电门1后静止在两光电门中间

B过光电门2后静止在两光电门中间

A A和B都位于光电门1左侧,A撞击B后同时向右侧运动 A?B? A? B?