1、实验二 在气垫导轨上验证动量守恒定律动量是描述物体运动的一个非常重要的物理量。动量守恒，是最早发现的一条守恒定律。如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零，那么这个系统的总动量保持不变，这个结论叫做动量守恒定律。动量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一，它既适用于宏观物体，也适用于微观粒子；既适用于低速运动物体，也适用于高速运动物体。动量守恒定律与能量守恒定律、角动量守恒定律是自然界的普遍规律，在微观粒子作高速运动（速度接近光速）的情况下，牛顿定律已经不适用，但是以上定律仍然适用。现代物理学研究中，动量守恒定律成为一个重要的基础定律。它是一个实验规律，也可用牛顿第三定律和动量定理推导
2、出来。实验目的1 用弹性碰撞和完全非弹性碰撞情况下验证动量守恒定律。实验仪器QDG-1 型气垫导轨实验设备一套、JMS-1 计时计数测速仪一台（请在实验之前认真阅读附录 1 和附录 2 的相应使用说明书） 。实验原理在水平导轨上放两个滑行器，以两个滑行器作为系统，在水平方向不受外力，两个滑行器碰撞前后的总动量应保持不变。设两个滑行器的质量分别为 M1 和 M2，相碰前的速度分别为V1 和 V2，相碰后的速度为 V1和 V2，则根据动量守恒定律有： M1V1+M2V2=M1V1+M 2V2只要测出两个滑行器在碰撞前后的速度,称出质量,即可验证动量守恒定律。实验内容1、弹性碰撞1.1 实验装置见图
3、 1 G1 VA G2 VB 6图 6图 1 弹性碰撞实验装置示意图1.2 在导轨的安装滑轮端装上弹射架,两光电门分别置于导轨 30cm 和 80cm 处，调整导轨的水平；1.3 两个滑行器上分别安装上 1cm 的挡光片，令其一在滑行器 M1两端各安装弹性架。1.4 用天平分别称出两个滑行器的质量 M1和 M2；1.5 将计时器功能选择在“碰撞”档。令两个滑行器放在导轨两端处作为运动起始点。用手同时推动两个滑行器使其相向运动，让它们分别通过两个光电门的中间发生碰撞，发生碰撞后，各自朝相反的方向运动，再次分别通过两个光电门，此时计时器会自动测出 4 个t1、t 1、t 2、t 2时间。（详见 J
4、0201-CC 或 J0201-CHJ 型数字计时器说明书） 。1.6 计算出两滑行器碰撞前后通过两个光电门的相对应 V1、V 1、V 2、V 2的速度。1.7 将上述的测定的速度和计算的滑行器的质量代入（4.1）式中计算，在误差范围内，有M1V1+M2V2=M1V1 +M2V2式成立，即验证了动量守恒定律。2、 完全非弹性碰撞2.1 实验装置见图 2 G1 G2 VBVA=0 7 图 7图 2 完全非弹性碰撞实验装置示意图2.2 在导轨的两端各自装上弹射器，光电门分别置于导轨 30cm 和 80cm 处，调整导轨的水平。2.3 两个滑行器上分别安装上 1cm 的挡光片和一端装上搭扣。2.4
5、用天平分别称出两个滑行器的质量 M1和 M2。2.5 将计时器功能选择在“间隔计时”档，令其一滑行器 M2放在导轨中间处于静止状态（即两个光电门中间处） ，另一滑行器 M1放在导轨的进气口端。用手推动滑行器 M1向其滑行器 M2方向运动。通过其一光电门后，自动测出时间。与滑行器 M2发生完全非弹性碰撞后，两个滑行器同一方向继续运动通过另一光电门后，自动测出时间。立即用手轻轻制止滑行器运动。2.6 算出两滑行器在完全非弹性碰撞前后通过光电门的对应 V1、V 2的速度。2.7 将上述的测定和计算出滑行器完全非弹性碰撞前总动量为 M1V1和完全非弹碰撞后总动量（M 1+M2）V 2,在误差范围内有
6、M1V1=（M 1+M2）V 2式成立。即验证了动量守恒定律。思考题1.根据实际情况分析实验中引起测量误差的主要因素是什么？2.请说明动量守恒的条件？请举例说明动量守恒的实际应用？附录 1QDG-1 型气气 垫垫 导导 轨轨使用说明书使用之前请务必仔细阅读使用说明书一、概述气垫导轨是利用气垫原理进行工作的，它利用微音气泵将压缩空气打入导轨的空腔里，再由导轨表面按一定规律分布的许多小孔中喷射出，在导轨平面与滑行器内表面之间形成一个薄空气层气垫，滑行器被气垫托起来悬浮在导轨上面，滑行器在气轨表面运动过程中，只受到很小的空气粘滞阻力的影响，能量损失极小，故滑行器的运动可以近似地看作是无摩擦阻力的运动
7、。极大地减少了力学实验中由于摩擦力引起的误差，使实验结果基本上接近理论值，提高了实验精度，实验现象真实直观，实验效果明显，易为学生接受。气垫导轨与计时器及微音气泵配套使用，可对各种力学物理量进行定量测定，对力学规律进行验证，是教师演示、学生分组实验的理想仪器。二、技术性能1、导轨工作面：QDG-2-1.2 型长度 1200mm；QDG-2-1.5 型长度 1500mm；QDG-2-2.0 型长度 2000mm；2、 导轨纵向竖直平面内的直线度：全长0.10mm；任意 400mm 长度0.05mm；3、导轨工作面的夹角：90+0.1；4、导轨工作面的表面粗糙度：Ra3.25、导轨脚距：QDG-2
8、-1.2 型：600mm；QDG-2-1.5 型：800mm；QDG-2-2.0 型：1100mm。6、喷气孔孔径：0.8mm；7、导轨进气口的外径：30mm；8、滑行器：QDG-2-1.2 型：长度 121mm，质量约 155g；QDG-2-1.5 型：长度 156mm，质量约 200g；QDG-2-2.0 型：长度 242mm，质量约 310g；9、滑行器浮高：在气体压强不小于 5.8kPa，最大承载质量不小于 3 倍滑行器质量条件下，不小于 0.10mm；10、工作环境温度：040；11、相对湿度：不大于 90%RH；12、要求气源压强：不小于 5.8kPa。三、仪器特点、结构、配套1、
9、导轨是气垫导轨的主体，采用优质合金铝型材制成，轻便、机械强度高，特殊的结构设计更增加了它的机械强度，长期使用不易变形，出厂前由精密机加工保证了它的直线度。2、导轨两端堵板为可拆卸式，便于清洗导轨内腔。3、导轨两侧均可安装光电门,便于学生对实验现象的观察。见“图一” 。4、仪器实验附件结构见“表一” 。四、使用、维护和保养须知1、气垫导轨的附件比较多，安装前必须认真阅读一下说明书及附图 1，认识每个附件的用途及安装位置。2、气垫导轨的实验精度高，应选用稳固、平整的实验桌放置仪器，放置时先将调平架用两个螺钉紧固在导轨底部，安装滑轮的一端伸出桌面，便于实验，另一端通过波纹软管与气源相接。在导轨支脚下
10、面垫上垫脚，垫脚的平面一侧贴在桌面上，垫脚和调平螺钉的尖端放凹槽中。3、滑轮安装在导轨前端的堵板上，使用前应调整轴尖要适度，使滑轮转动灵活，并滴加少许钟表油，使之润滑。4、气源接通电源和导轨，使空气进入导轨的空腔里后用手指贴在导轨的工作面逐个检查气孔是否畅通，如果有被堵塞气孔，用 0.5mm 的钢丝针清除堵塞物，务必使每个气孔畅通。为避免实验受振动影响，气源应放在远离实验桌处。5、有些实验滑行器要重复地从同一位置开始运动，可用起始挡板定位。6、实验中，滑行器的滑行速度不宜过小和过大，速度以 50cm/s 左右为宜。.7 . 2图12-M4x206-M4x104-M4x204-M4x102 1
11、10 4 2 1M4x100.5x1503mM4x205mm5mm10mm. 8 .J2125-2.05g1表12 210,30,50,10050g3 2 12 1 2 2 16图 1六角螺栓6-M410弹射器砝码钩砝码4-M4104-M420垫 脚 及 垫 高 块砝码滑轮光电门支架起始挡板光电门支架挡光片振子弹簧振子弹簧挂钩搭扣弹射器搭扣挂钩振子弹簧砝码滑轮起始挡板砝码钩砝码垫高块垫脚挡光片光电门支架砝码桶附件盒布局7、作弹性碰撞实验时用弹射器。作完全非弹性碰撞实验时，将附件中的搭扣分别安装在两个滑行器上，碰撞时两个滑行器滑行通过搭扣粘在一起运动。8、导轨和滑行器工作面的直线度精度较高,为此
12、在搬运及安装使用中,严禁磕碰、受压和撞击,导轨在未通气前,严禁用滑行器沿轨面滑动摩擦,以防损伤工作面。9、每次实验后,要将导轨和滑行器的工作面用干净软布擦试干净。导轨在存放时竖直挂起存放为佳,不要放置在潮湿或有腐蚀性气体的地方。五、实验方法1、气垫导轨是物理力学教学中教师学生不可缺少的实验仪器。配套上海实博实业有限公司所生产各种型号的智能计时计数器、低噪音气泵，可以完成新教材中所规定很多的力学实验。2、导轨的调平：导轨调整水平是实验前的重要准备工作，要细致耐心地反复调整，可按下列两种方法中任一种方法调平导轨：a.静态调平法：导轨接通微音气泵，滑行器置在导轨某处，用手轻轻地把滑行器压在导轨上，再
13、轻轻地放开，观察滑行器的运动状态。连续做几次，如果滑行器在导轨上静止不动，或稍有左右移动，则导轨是水平的；如滑行器都向同一方向运动，表明导轨不平。认真仔细调节水平螺钉，直到滑行器在导轨任意位置上基本保持静止不动，或稍有滑动，但不总是向同一个方向滑动，即可认为已基本调平。一般要在导轨上选取几个位置做这样的调节。b.动态调平法：将气轨与计时器配合进行调平，仪器接通电源，仪器功能选择在“间隔计时”档上，两个光电门间距不小于 30cm 卡装在导轨上，在导轨两端装上弹射器，滑行器装上挡光片（如 1cm 一种） ，给气轨通气，让滑行器以一定的速度从导轨的左端向右端运动（或者滑行器在导轨以一定速度向右运动）
14、 ，先后通过两个光电门 G1和 G2，计时器就分别计下了滑行器装上挡光片 L 宽度，通过两个光电门的时间t 1和t 2。若t 1t 2，即滑行器通过 G2的光电门时间短，表明滑行器运动速度加快，导轨左高右低，滑行器做加速运动；若t 1t 2，表明滑行器做减速运动，导轨左低右高，细心调节水平调节螺钉，t 1与t 2的时间差值尽量小，直至t 1t 2，但由于受空气的粘滞阻力的影响，t 1t 2，只要t 1比t 2稍微大些，即可视为导轨已基本调平了。附录 2JMS-1 计时计数测速仪（存 贮贮 式数字毫秒式数字毫秒 计计 ）使用说明书一、概述JMS-1 计时计数测速仪具有存储功能，时基精度高(微秒级
15、)的测量时间间隔的数字计量仪器。它可做计数、计时等使用。本仪器采用 MCS-51 单片微型计算机为核心，智能度高，数据存储和处理能力强，操作简便，小数点、单位和量程自动定位、换档，且自动进入四舍五入智能化显示数据。除了具有一般计时器的功能外，与 QDG-2 型气垫导轨、自由落体实验仪、转动惯量实验仪等配合使用，还能测量速度、加速度、重力加速度、角加速度、周期等物理量和碰撞等实验，并直接显示实验的速度和加速度及角加速度的值。二、技术性能1、工作条件电源 ：AC. 220x（110）V，50x（15）Hz。环境温度 ：-10+40。相对湿度 ：不大于 85（40）。工作时间 ：连续工作。2、外形尺
16、寸：约 230mmx210mmx100mm。重量：约 2.5kg。3、技术参数：见下表项目 JMS-1 型石英晶体振荡器采用 6MHz1 时基精度 1MHz10Hz五位高为 16.24mm 高亮度 LED 数码显示2 数据显示 四个 LED 单位显示，八个 LED 功能指示，3 计数范围 0999994 计时范围 0.00ms99999s5 速度范围 0.00999cm/s6 加速度范围 0.00999cm/s 27 周期 0.00ms99999s8 时标周期 0.1ms，1ms，10ms，100ms，1s9 时标幅度 不小于 5V10 直流稳压输出 6V/0.5A11 光电门 2 个三、面板
17、及后盖1、面板示意图及说明 1：见下图1）数据显示窗口：显示测量数据、光电门故障信息等。2）单位显示：s、ms、cm/s、cm/s 2 或不显示(计数时不显示单位)。3）功能:C计数 a加速度 S 1 ()角加速度 g重力加速度 S 2间隔计时 Col碰撞 T振子周期 Sgl时标4） 【功能】键：功能选择。5） 【清零】键：清除所有实验数据。6） 【停止】键：停止测量，进入循环显示数据或锁存显示数据。7） 【6V/同步】键：与自由落体试验仪或斜槽轨道配合使用。(使用方法见（四.7)2、后盖示意图说明 2：见下图 自 由 落 体 1 350 cm6V时 标 输 出21 456798光 电 门 2
18、光 电 门 1S1 10360 181）保险管座:熔断丝管管座。2）外接地线接线柱;3）自由落体接口插座: 与自由落体试验仪配合，测重力加速度用。也可与斜槽轨道配合测重力加速度，详见本说明四.7 条。4）档光框宽度选择开关: 配合气垫导轨实验所用挡光框使用。(使用方法见（五.5)5）电源输入: 交流 220V 输入。6）电源开关;7）时标输出;8）2 号光电门输入插座;9）1 号光电门输入插座。10) S1 与 功能转换键四、操作使用说明1、实验前准备工作，光电门和显示器件的自检。1.1 实验前准备工作将两个光电门插头插入 1 号、2 号光电门插座；接上 220V 交流电源，打开电源开关；开机
19、后自动进入自检状态；依次按【功能】键，选择需要的实验功能。循环顺序如下： 自 检 CSS2Tagolgl(0.1ms)Sgl(1ms)l(1s)l(0)gl(1)1()1.2 光电门和显示器件的自检开机或按【功能】键选择自检功能，都将进入自检状态：当光电门无故障时，屏幕循环显示各显示器件；当光电门发生故障时（如：接触不良、损坏、遮挡光电门或光电门输入电路出现故障等） ，屏幕将闪烁着该光电门的号码，不做循环显示工作。这时，必须先排除故障，程序才能继续运行。2、 “C”计数用挡光片对任意一个光电门遮光一次，屏幕显示即累加一个数。按【停止】键，立即锁存数值，停止计数。按【清零】键，清除所有实验数据，又可重新做实验。3、s1 与 共用一个键,两个功能通过后盖的“s1、”完成功能转换。3.1、 “S1”遮光计时用挡光片对任意一个光电门依次遮光，屏幕依次显示出遮光次数和遮光时间。可连续作 1255 次实验，但只存储前 10 个数据。按【停止】键，立即循环显示存储的时间数据。按【清零】键，清除所有实验数据，又可重新做实验。3.2、 “”测角加速度功能 单位“rad/s 2”挡 挡 挡 挡光 第 1 圈 光 第 2 圈 光 第 3 圈 第 n 圈 光0# 1# 2# tn/n-1 n#t3/2t2/1t1图“”功能
