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验证动量守恒定律

一、实验目的

，即验证在一个不受外力或所受外力的合力为零的系统内，系统的总动量保持不变。通过实验，加深对动量守恒定律的理解，掌握运用实验方法研究物理规律的基本技能，学会使用相关实验仪器测量物体的质量和速度，并对实验数据进行处理和分析。

二、实验原理

在一个系统中，如果系统不受外力或所受外力的合力为零，那么系统的总动量保持不变。用公式表示为\(p_{总初}=p_{总末}\)，其中\(p=mv\)（\(m\)为物体质量，\(v\)为物体速度）。

本实验采用两个小球在水平气垫导轨上发生碰撞的方式来验证动量守恒定律。设两个小球的质量分别为\(m_1\)和\(m_2\)，碰撞前的速度分别为\(v_{10}\)和\(v_{20}\)，碰撞后的速度分别为\(v_1\)和\(v_2\)。根据动量守恒定律，有\(m_1v_{10}+m_2v_{20}=m_1v_1+m_2v_2\)。

三、实验器材

1.气垫导轨：提供近似无摩擦的运动环境，使滑块在导轨上运动时所受阻力可忽略不计，保证系统在水平方向上近似不受外力，满足动量守恒的条件。

2.滑块及配重片：两个质量不同的滑块，可通过添加配重片改变滑块的质量，以进行不同质量组合下的碰撞实验。

3.光电门及数字计时器：光电门用于测量滑块上挡光片经过时的挡光时间，数字计时器记录挡光时间。通过挡光片的宽度\(\Deltax\)和挡光时间\(\Deltat\)，可以计算出滑块的运动速度\(v=\frac{\Deltax}{\Deltat}\)。

4.天平：用于测量滑块及配重片的质量。

5.气源：为气垫导轨提供压缩空气，使滑块能够在气垫上自由滑动。

6.游标卡尺：用于测量挡光片的宽度。

四、实验步骤

（一）实验准备

1.气垫导轨的调节

将气垫导轨放置在水平桌面上，接通气源，使导轨通气。

观察滑块在导轨上的运动情况，若滑块能在导轨上保持静止或做匀速直线运动，说明导轨基本水平；若滑块向一端滑动，可通过调节导轨底部的调节旋钮，使导轨达到水平状态。

为了更精确地调节水平，可利用光电门和数字计时器。让滑块在导轨上做匀速运动，分别记录滑块经过两个光电门的时间，若两次时间相近，则说明导轨水平。若时间差异较大，则继续调节导轨的水平度。

2.测量滑块及挡光片的相关参数

使用天平分别测量两个滑块的质量\(m_1\)和\(m_2\)，并记录测量结果。

用游标卡尺测量两个滑块上挡光片的宽度\(\Deltax_1\)和\(\Deltax_2\)，多次测量取平均值以减小测量误差，并记录测量结果。

3.光电门和数字计时器的调试

将两个光电门分别安装在气垫导轨的适当位置，使滑块能够顺利通过光电门。

接通数字计时器的电源，将其设置为测量挡光时间的模式。

用手轻轻推动滑块，使其通过光电门，检查数字计时器是否能够正常记录挡光时间。若不能正常记录，检查光电门与数字计时器的连接是否良好，以及光电门的光路是否被遮挡。

（二）弹性碰撞实验

1.设置实验初始条件

将两个滑块分别放在气垫导轨的两端，使它们的碰撞面相对。

给其中一个滑块（设为滑块\(1\)）一定的初速度，让其向另一个静止的滑块（滑块\(2\)）运动。

2.测量碰撞前后的速度

启动数字计时器，推动滑块\(1\)，使其以一定的速度通过第一个光电门，记录滑块\(1\)经过第一个光电门的挡光时间\(\Deltat_{10}\)，根据\(v_{10}=\frac{\Deltax_1}{\Deltat_{10}}\)计算出滑块\(1\)碰撞前的速度\(v_{10}\)。

滑块\(1\)与滑块\(2\)发生弹性碰撞后，滑块\(1\)和滑块\(2\)分别通过第二个光电门，分别记录它们经过第二个光电门的挡光时间\(\Deltat_1\)和\(\Deltat_2\)，根据\(v_1=\frac{\Deltax_1}{\Deltat_1}\)和\(v_2=\frac{\Deltax_2}{\Deltat_2}\)计算出滑块\(1\)和滑块\(2\)碰撞后的速度\(v_1\)和\(v_2\)。

3.重复实验

重复上述实验步骤至少5次，每次实验前都要确保滑块的初始位置和速度基本相同，以保证实验的重复性和数据的可靠性。记录每次实验中滑块\(1\)碰撞前的速度\(v_{10}\)、碰撞后滑块\(1\)的速度\(v_1\)和滑块\(2\)的速度\(v_2\)。

（三）完全非弹性碰撞实验

1.准备工作

在两个滑块的碰撞面上安装粘性物质（如橡皮泥），使它们在碰撞后能够粘在一起，实现完全非弹性碰撞。

同样将两个滑块分别放在气垫导轨的两端，一个滑块静止，另一个滑块具有一定的初速度。

2.测量碰撞前后的速度

推动具有初速度的滑块（设为滑块\(1\)），