奥赛实验讲座.docVIP

全国中学生物理竞赛复赛实验辅导讲座 力学 题目1. 气轨上研究碰撞过程中的动量和能量变化 ［研究重点］ 碰撞过程中的动量变化情况; 碰撞过程中的能量变化情况. （仪器用具） 气轨、滑块、骑码、光电测速装置、电脑通用计数器(数字频率计)、读数显微镜或游标尺、物理天平等． （原理〕 1．动量守恒定律 动量守恒定律指出：若一个物体系受到的合外力等于零，则组成该物体系的各物体动量的矢量和保持不变．即总动量 (1-1) （1－l）式中mi和vi分别是物体系中第i个物体的质量和速度。n是物体系中物体的数目．若物体系所受合外力在某个方向的分量为零，则此物体系在此方向的总动量守恒． 本实验是利用气垫导轨使两个物体沿一直线碰撞时，如果保证在碰撞的方向上合外力为零，则碰撞前后的动量是否维持不变的，即 (1-2) 式（1- 2）中 mA、mB分别为物体 A和 B的质量，vA、vB和v′A、v′B分别为碰撞前后 A和 B的速度。 在实验中，若我们使两个物体在一接近于水平的平面内作直线碰撞．使物体在碰撞方向运动时保持匀速。则这时重力的分力与摩擦力相互抵消，以满足碰撞时合外力为零的条件。 如取vB=0，则（1-2）式简化为 （1-3） 本研究中，我们利用（1-3）式进行实验，考察碰撞过程中动量是否守恒。 研究的方法是分别测出mA、mB、vA、v′A、v′B比较与是否相等。 2．关于碰撞后动能的损耗 动量守恒定律成立的条件是要求物体系所受合外力为零。不论碰撞是弹性的或非弹性的，动量守恒都应成立。但对于动能在碰撞过程中是否守恒，则除了与在碰撞过程中外力是否对系统作功有关以外，还与碰撞的性质有关。若碰撞物体是由弹性材料作成，碰撞结束后物体没有发生形变，则物体系的总动能不变。这就是弹性碰撞；若物体材料具有一定塑性，碰撞结束后有部分形变残留，则物体系的总动能有所损耗（转变为其他形式的能量），这就是非弹性碰撞。碰撞的性质可以用恢复系数 （1-4） 来表达．完全弹性碰撞时e＝1，机械能守恒；完全非弹性碰撞时e＝0，机械能损耗最大；一般情况下0＜e＜l （实验内容和注意事项〕 1．调整装置 使气垫导轨和光电测速装置正常工作，（参看大学物理实验书稿实验9有关内容）。 （2）调节导轨接近水平，使滑块在碰撞前后的运动方向上作匀速运动，即通过两个光电门的时间基本相等(不超过1ms)，这样来保证碰撞时合外力为零的条件．考虑到摩擦力与速度有关，要尽量保证在实际测量点附近滑块的运动速度保持均匀。 （3）将测量碰撞前后速度的光电门放到能记下最接近碰撞前后的滑块速度的位置。 *（4）调节挡光片，使挡光边与滑块运动方向垂直．可以将导轨倾斜一定角度，并把光电门放在一固定位置上，将滑块从一固定位置从静止开始下滑通过光电门，记下挡光时间δt．当挡光边与滑块运动方向垂直时δt最小。 （5）光电门放置时还要注意使挡光片的同一部位能通过不同的光电门。 2．在vB=0，mA=mB及mA＞mB的情况下，测量完全非弹性碰撞前后的速度，检验动量守恒并观测动能变化情况。 3．同上，观测弹性碰撞的情况． 测量时要注意保证vB＝0，并尽量做到正碰，以减小碰撞时滑块晃动。 （数据处理〕 1．完全非弹性碰撞 完全非弹性碰撞后，A与B粘在一起运动，（1-3）式变为 （1-3）′ 我们都用滑块 A上的挡光片测量碰撞前后的速度。取 （1-5） （1-3）′可变为 （1-6） 其中利用了是滑块A的挡光距离。要保证碰撞前后两次通过光电门的δsA 不变。 碰撞前后动量百分差为 （1-7） 碰撞后动能损耗率为 （1-8） 恢复系数e＝0。当mA=mB时，D1=1，上列各式就更简单了。 2．弹性碰撞 取 （1-9） 式中δsB是滑块B的挡光距