CN204143705U - 验证弹性碰撞的动量守恒和机械能守恒的双单摆实验装置 - Google Patents

Abstract

一种验证弹性碰撞的动量守恒和机械能守恒的双单摆实验装置，包括底座、支架、单摆，摆绳，支架固定在底座上。支架是由横杆和竖杆围接组成的框架结构，两条竖杆分别是带刻度显示的标尺，两条竖杆平行设置底部固定在底座上，上端与横杆固定连接；所述的单摆是由两个质量相等的刚性球组成的双摆球，双摆球分别与摆绳连接，分别通过摆绳吊挂在支架的横杆上，所述的摆绳上分别系有与支架刻度相对应的细线。利用质量相等的刚性小球做成双单摆，支架采用带刻度的标尺，保证摆球对心弹性碰撞，摆线上各系一个质量可以忽略的细线，由细线的位置读数可以直接验证动量守恒、机械能守恒定律。装置结构科学、制作成本低、操作简单、便于演示、且实验结果明显。

Description

验证弹性碰撞的动量守恒和机械能守恒的双单摆实验装置

技术领域   

本实用新型涉及一种基础物理定律的实验验证领装置，尤其是涉及一种验证弹性碰撞的动量守恒和机械能守恒双单摆实验装置。

背景技术   

   通常，基础物理实验验证动量守恒定律是用气垫导轨，调节导轨的水平可用“动态”和“静态”两种调平方法，由于气垫导轨上各个气孔出气不均匀，导致调平难度很大；为了简化实验计算，实验对滑块的质量要求很严格；这套装置昂贵且笨重，无法拿到课堂上进行演示实验。基础物理实验是用重物的下落，重物要连接打点计时器的纸带相连，利用打出的纸带求速度，还要用米尺测量重物下落的高度验证机械能守恒定律，此实验繁琐；要精确计算打出的纸带，对计算能力要求较高。中国专利CN102663932A公开了一种“双单摆碰撞验证动量守恒和动能守恒的实验装置”，其结构是：坐标纸用磁铁固定在支架的面板上，两个单摆固定在支架顶部的矩形槽中，每个单摆上分别固定彩色笔，通过彩色笔画出的运动曲线，根据动能和势能的相互转化，确定碰撞前后的动量和动能。其不足之处是该装置需要在单摆上固定彩色笔，通过彩色笔画出的运动曲线，彩笔与坐标纸间存在摩擦力，摩擦力的存在会导致动量和机械能不守恒；彩笔描出的曲线会出现重合，坐标位置不容易确定；依据动能和势能的相互转化，来计算确定碰撞前后的动量和动能，实验计算和操作比较复杂，尤其是给学生演示比较麻烦。

发明内容

本实用新型的发明目的在于针对现有技术操作不便、昂贵、笨重、计算繁琐等诸多不足，提供一种利用标尺作为支架、摆绳上系对应支架标尺的刻度细线，操作简便，便于演示的验证弹性碰撞的动量守恒和机械能守恒的双单摆实验装置。

    实现上述目的采用以下技术方案：

一种验证弹性碰撞的动量守恒和机械能守恒的双单摆实验装置，包括底座、支架、单摆，摆绳，支架固定在底座上，所述的支架是由横杆和竖杆围接组成的框架结构，两条竖杆竖直支架上分别覆有带刻度显示的标尺，两条竖杆平行设置底部固定在底座上，上端与横杆固定连接；所述的单摆是由两个质量相等的刚性球组成的双摆球，双摆球分别与摆绳连接，分别通过摆绳吊挂在支架的横杆上，所述的摆绳上分别系有与支架刻度相对应的细线。

作为优选方案，双摆球的摆绳一端与摆球连接，另一端与摆长调节螺丝连接，摆长调节螺丝固定在支架的横杆上。

    作为优选方案，所述的摆绳长度相等，摆球球心在同一条直线上。

作为优选方案，摆长调节螺丝间隔设置在支架横杆的中间部位。作为优选方案，所述的底座上设有水平仪和调平螺丝。 

采用上述技术方案，与现有技术相比，本实用新型的支架采用带刻度的标尺，利用质量相等的刚性小球做成双单摆，保证摆球对心弹性碰撞，摆线上各系一个质量可以忽略的细线，细线对应支架的刻度可以通过移动细线的位置或改变摆球离开平衡位置的角度来调节，细线对应支架标尺的刻度测量容易且更精确，且由细线的位置读数可以直接验证动量守恒、机械能守恒定律。也可以根据细线的位置读数明确计算摆球处于最高位置和最低位置的刻度，也可通过具体的实验数据计算验证碰撞过程中的动量守恒、机械能守恒。底座有调平螺丝并有水平仪精确指示底座是否水平，能精确测量摆球处于最高、最低位置时摆绳上细线对应标尺的刻度，通过细线对应标尺位置读数比通过摆球对应标尺位置读数更精确更直接，但此时摆球的位置也可以精确推算。本实验装置结构科学、制作成本低、操作简单、便于演示、且实验结果明显。

附图说明

    图1是本实用新型结构示意图。

    图中标记，水平仪1，调平螺丝2， 单摆3， 细线4，摆长调节螺丝5，底座6，支架7。                               

具体实施方式

   下面能结合附图及实施例对本实用新型做进一步的描述。

本实施例公开了一种验证弹性碰撞的动量守恒和机械能守恒的双单摆实验装置，该装置的结构见图1，由底座6、支架7、单摆3等组成，底座6为圆形，底座6上设有水平仪1和调平螺丝2，调平螺丝2设置三个，三角形排布在底座6上。支架7是由横杆和竖杆围接组成的框架结构，两条竖杆上分别覆有采用带刻度显示的标尺，两条竖杆平行设置直立于底座6上，两条竖杆的底部与底座6固定，上端与横杆固定连接。

本实施例的单摆3采用的摆球为刚性小球，且两小球质量相等，平衡位置时质量相等的两摆球对心接触，但无相互作用力，为双摆球。双摆球分为A球和B球，A球和B球分别与摆绳连接，其连接方式是：两条摆绳依次一端与A球、B球连接，另一端与摆长调节螺丝5连接，A球和B球吊挂在支架7的横杆上，摆长调节螺丝5间隔设置在支架横杆的中间部位，两螺丝间距离可调，保证摆球做对心碰撞。

两条摆绳长度相等，两条摆绳上分别系有与支架刻度相对应的细线4，且细线4所对竖杆标尺的刻度可以调节。通过细线4对应标尺位置读数比通过摆球对应标尺位置读数更精确更直接，但此时摆球的位置也可以精确推算。

本实用新型的操作工程：

调节底座6上的调节螺丝2，使水平仪1的气泡处于底座6的中心圆内，说明底座6已成水平状态；调节摆长调节螺丝5使两个单摆3的摆长相等，调节两摆绳上的细线4使对应相同的支架刻度，调节两单摆3之间的距离使两摆球A、B刚好接触且圆心在同一直线上。摆球B静止，将另一摆球A拉至一定位置，使摆绳上的细线4对应支架7标尺一定的刻度，无初速释放摆球A，摆至最低点时摆球A与在平衡位置静止的摆球B相碰，碰后摆球A静止，摆球B会运动，直至摆绳上的细线对应支架的刻度至摆球A释放时其细线4对的刻度相同，即摆球B的最终位置对应的支架刻度与摆球A的初始刻度相同，由此两质量相同的刚性摆球对心碰撞后速度交换—动量守恒，由于摆球A的初始高度与摆球B的终了高度相同—机械能守恒。

摆球B在最低点静止，另一摆球A拉至一定位置，使摆绳上的细线4对应支架7上的某个初始刻度后无初速释放，摆球A沿弧线运动与静止摆球B弹性碰撞，碰撞完毕摆球A静止，原静止摆球B运动至最高点速度降为零，此时摆球B的摆绳上细线对应的支架7的刻度与摆球A摆绳上细线4的初始刻度相同，记录此时摆球对应支架7的刻度。由此两质量相同的刚性摆球对心碰撞后速度交换—动量守恒，由于摆球A的初始高度与摆球B的终了高度相同—机械能守恒。

将两摆球A、B向左右拉至一定位置使每个摆绳上的细线4对应支架7相同的初始刻度后，两摆球无初速释放，对心碰撞后，运动至最低点两球进行弹性碰撞，碰撞后两摆球A、B沿原弧线返回，均返回至两摆绳上的细线4所对的支架7刻度与初始刻度相同，两摆球A、B速度减为零。

根据实验过程中每个单摆3摆绳上对应的支架刻度就可说明弹性碰撞过程除了动量守恒，机械能也守恒。每个摆球的碰后速度与各自初始速度大小相等，方向相反，也可认为两摆球交换速度—动量守恒，由于两摆绳上的细线4均摆至初始高度—机械能守恒。根据平衡位置和最高点位置摆绳上细线4对应的支架刻度和每个细线的初始位置刻度可以计算两摆球A、B在最高、最低点的动量、动能、重力势能和机械能，由此确定动量守恒、机械能守恒和运动过程中的能量的转化关系。同样此实验装置也可验证非弹性碰撞动量守恒定律，也可以改变此实验装置中两摆球的质量，以验证质量不等摆球碰撞的动量守恒定律,由于两球质量不同其运动轨迹不同，验证时在摆球的运动背景上放置一透明塑料板，通过塑料板上的标记和竖直支架的标尺确定每个摆球的位置。由于本校的基础物理实验是用质量相等物体碰撞验证动量守恒定律，本发明能实现实验目的且使实验现象更简单明了。

Claims (5)

1.一种验证弹性碰撞的动量守恒和机械能守恒的双单摆实验装置，包括底座、支架、单摆，摆绳，支架固定在底座上，其特征在，所述的支架是有横杆和竖杆围接组成的框架结构，两条竖杆上分别覆有带刻度显示的标尺，两条竖杆平行设置底部固定在底座上，上端与横杆固定连接；所述的单摆是由两个质量相等的刚性球组成的双摆球，双摆球分别与摆绳连接，分别通过摆绳吊挂在支架的横杆上，所述的摆绳上分别系有与支架刻度相对应的细线。

2.根据权利要求1所述的验证弹性碰撞的动量守恒和机械能守恒的双单摆实验装置，其特征在于，双摆球的摆绳一端与摆球连接，另一端与摆长调节螺丝连接，摆长调节螺丝固定在支架的横杆上。

3.   根据权利要求2所述的验证弹性碰撞的动量守恒和机械能守恒的双单摆实验装置，其特征在于，所述的摆绳长度相等，摆球球心在同一条直线上。

4.根据权利要求2所述的验证弹性碰撞的动量守恒和机械能守恒的双单摆实验装置，其特征在于，摆长调节螺丝间隔设置在支架横杆的中间部位。

5.根据权利要求1所述的验证弹性碰撞的动量守恒和机械能守恒的双单摆实验装置，其特征在于，所述的底座上设有水平仪和调平螺丝。