CN204315142U - 一维、二维碰撞动量守恒验证仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种一维、二维碰撞动量守恒验证仪器,包括底座、竖直臂、水平臂、固定臂、摆臂、电磁铁、活动卡口、调节螺钉、仪器电源接口、电源和电路。工作时先按照要求调节好该电磁铁的摆动方向，之后将两个电磁铁通电吸附上碰撞用的小铁球，当可以摆动的电磁铁吸附着下面的小铁球一起摆动到最低点时两个小球刚好发生碰撞，同时电路开关被触及而断开，电磁铁都断电，两小球碰撞后按动量守恒规律在各自的运动方向做平抛运动并在下面的底盘的复写纸上留下落点，根据平抛运动的规律可以通过这些落点情况得到碰撞后的小球速度信息，碰撞前的小球初速度信息只需在不吸附被碰撞用的小铁球的情况下再重复一次这样的操作即可得到。

Description

一维、二维碰撞动量守恒验证仪器

技术领域

本实用新型专利提出了一种新型的验证一维碰撞，以及二维碰撞动量守恒的验证方式。可用于初高中以及大学的物理教学。解决传统的实验仪器中要求碰撞体质量大于被碰撞体质量的限制，更弥补了传统仪器中不能做二维碰撞动量守恒验证的不足。可以把该仪器用于一、二维碰撞的动量守恒以及平抛运动的探究。

背景技术

目前对于动量守恒的验证教学仪器情况如下：用打点计时器配合小车，通过测量小车碰撞前后打点计时器打出点的情况来验证动量守恒；用气垫导轨配合光电门测量碰撞前后的速度来验证动量守恒；用导轨引导小球发生碰撞，记录碰撞后小球平抛运动留下的落点情况来验证动量守恒（如附图1）。以附图1用导轨引导小球碰撞来验证动量守恒为例，该该仪器由1.定位板2.入射球3.靶球4.支球柱5.木板6.白纸等构成；由动量守恒定理可知实验中当入射球的质量小于于靶球时，入射球碰撞后将沿其初始方向的反向运动即往导轨方向运动，而由于导轨的存在阻碍了这种运动，从而入射球落不到下面木板上白纸。因此该仪器无法实现小质量物体撞大质量物体的动量守恒验证。同样的道理，若改变入射球的入射方向使之与靶球发生二维碰撞，由于导轨的存在阻碍了碰撞后入射球的运动，因而这样的碰撞也无法进行。除此之外用支球柱支撑靶球，碰撞时支球柱本身会对靶球有个阻碍作用，这提高了系统误差性。上述仪器的实验方法都是用来验证一维碰撞的动量守恒，无法验证二维碰撞时的动量守恒。

发明内容

为了解决上述传统实验仪器中存在不足以及减小系统误差，弥补二维碰撞动量守恒实验这一空白，为了加强学生们对二维碰撞动量守恒的理解，加深他们对动量守恒的认识以及应用，因此发明这个可以验证动量守恒的仪器。实现二维碰撞的动量守恒验证，首先得保证碰撞是二维的，其次碰撞前后碰撞体的速度相关信息要便于测量，上面所提到碰撞动量守恒验证仪器的那些构思都实现不了二维碰撞。该发明专利用了一种新型的实验仪器来控制小球的碰撞，只要实验操作的规范，仪器结构的完整，便可以进行多种情况下的一维碰撞以及二维碰撞的动量守恒验证也可以扩展用来做平抛运动实验。

本实用新型发明为解决技术问题所采用的技术方案为：(1)用于实现一维碰撞以及二维碰撞的动量守恒的验证。该仪器主要由有机玻璃板配合螺丝等连接用的金属器件做成的支架（底座、竖直臂、水平臂、摆臂、固定臂），以及由电磁铁、开关、发光二极管、电阻、弹片开关，等构成的电路两大部分组合而成。底座是有机玻璃做成的长方形板子，底座侧边连接着竖直臂，竖直臂的有机玻璃里面衔有电路的导线以及开关1和电源接入口，竖直臂上方套着水平臂，水平臂可通过调节螺丝的松紧沿着竖直臂上下移动。并且水平臂内部也有电路导线以及开关2和指示灯，导线与竖直臂通过竖直臂最上方的接线口连接。(2) 内部电路连接情况主要是电源的正极出来后传节开关1，然后分为两个支路每个支路上连接一开关分别为开关2开关3，之后两支路并合，后面连接着两个并联的电磁铁和与电磁铁串联的并串接有电阻的发光二极管，之后再回到电源负极。（3）摆臂和固定臂一端连接在水平臂上一端连接着电磁铁.。（4）摆臂分为两部分摆臂臂杆和摆臂支座。摆臂臂杆下面固定的电磁铁 上面通过轴承连接在摆臂支座上，从而它可以在竖直面摆动，摆臂支座上面通螺丝连接在水平臂上，可以通过调节上方的螺丝改变它跟水平臂的夹角，从而改变下方摆臂臂杆的摆动方向。（5）摆臂支座的侧边装有开关3（非自锁拔片开关，当摆臂臂杆处于竖直状态时该开关会被摆臂臂杆断开，从而断开了电磁铁的电路。固定臂直接与水平臂和电磁铁相连。

使用仪器进行动量守恒实验验证时，由于该仪器是用摆臂和固定臂上电磁铁吸附的小铁球来进行碰撞，而摆臂臂杆上的电磁铁吸附着的小球当摆臂臂杆摆到竖直状态小铁球处于最低位置时，摆臂臂杆下的小球和固定臂下的小球刚好接触要发生碰撞，这时候开关3也被摆臂臂杆断开两个电磁铁断电，两个小球被电磁铁释放碰撞后自由运动，从而允许了小质量体碰撞大质量体的碰撞情况并减少了系统误差。由于摆臂支座与水平臂的的夹角可以任意调节从而摆臂臂杆的摆动方向也就可以控制。因此便可以通过改变摆臂的摆动方向来降碰撞调至非对心，从而实现二维碰撞。具体操作步骤由下面附图说明给出。

该仪器的有益效果：在进行碰撞时可以不受碰撞体与被碰撞体质量大小的因素影响，碰撞后小球受其它因素小，减少了系统误差。并且碰撞的方向可调，可演示多种情况下的碰撞，丰富了实验理论的结合。

附图说明：

        图1.传统动量守恒验证仪器图

        注释：1.定位板；2.入射球；3.靶球；4.支球柱；5.木板；6.白纸； 7.放线轴手柄； 8.水平调节螺钉。

        图2.新型仪器全貌图：

         注释：1.仪器底座；2.仪器竖直臂；3.12v直流电源接入口；4.开关1（电路总开关）；5.水平臂高度调节螺丝；6.水平臂连接螺丝；7.开关2（电路支路开关与开关3并联）；8.摆臂摆动方向调节螺丝；9.摆臂摆动方向指示标；10.开关3（弹片开关，由摆臂位置控制）；11.固定臂；12.摆臂臂杆；13. 电磁铁；14.电源指示灯；15.导线（黑色曲线部分均为导线）；16.水平臂。

        图3.新型仪器竖直臂、水平臂细节图：

         注释：1.电磁铁；2.水平臂；3.摆臂摆动方向调节螺帽；4.摆臂摆动方向调节螺丝；5.固定臂杆连接螺丝；6.摆臂摆动轴；7.开关；3支座；8.开关；3金属弹片；9.开关；3金属片；10.固定臂臂杆；11.摆臂臂杆；12、14.连接电磁铁导线；13.连接开关3导线。

        图4.新型仪器内部电路图

         注释：电源（12v直流）、开关1、开关2（自锁开关）、开关3 （拨片开关非自锁）、 电磁铁1、2（12v 1w）、电阻 （1k）、发光二极管 （2v - 3v）。

具体实施方式：

        依据原理和图2 图3 图4所示 结构，底座，竖直臂、水平臂 摆臂、固定臂、电磁铁以及内部电路...使用仪器时有如下步骤。

进行一维碰撞动量守恒实验步骤：

   （1）测量两小球的质量分别记为m₁，m₂，调松水平臂上的调节螺丝将水平臂调   到一定高度。（2）检查摆臂摆动方向指示杆是否对准固定臂中心处，若不是，尽量把方向调到对固定臂中心位置处。（3）先将仪器插上电源，闭合开关1，将摆臂拔到最低处，闭合开关1、2，电磁铁通电，将质量为m₁小铁球放到固定臂电磁铁下，质量为m₂的小铁球放到摆臂的电磁铁下，让其被吸起在空中。（4）断开开关1，两小球竖直下落，留下落点，固定臂与摆臂下的小球落点分别记为o₁，o₂ ，由于吸盘式电磁铁的磁力基本集中在中间的点上，所以每次吸起小铁球的基本不变，所以这两个落点即代表着两小球发送碰撞时的位置。（5）将摆臂拔到最高处，（注：拨到最高处时会明显感觉到往上拔不动，为保证小球每次从同一高度摆下，所以实验时每次拔动摆臂都要拨到最高处）并使摆臂上面的电磁铁吸上质量为m₂的小球，再释放摆臂，摆臂在重力作用下带着小球摆动到最低位置时断开关3，电磁铁断电，释放小球。小球做平抛运动，留下落点记为M，由于摆臂上电磁铁所吸附的小球作为碰撞的小球，固定臂上电磁铁的小球作为被碰撞的小球，这样我们就确定了初始动量情况下的小球m₁的落点。（6）用直尺连接落点o₂、M，观察落点o₁是否在该直线上，若在，说明碰撞已经调到一维，否则，按照落点o₁偏离该直线的方向及角度，调节摆臂摆动方向，重复步骤5-6，直到3个点在同一直线。（7）在碰撞已经调到一维的情况下，将底盘板上的白纸换掉，重复步骤3-5一次，将摆臂拔到最高处（保证与之前高度一致），并将摆臂上的电磁铁吸上质量为m2小球、使固定臂上的电磁铁吸上质量为m1小球。释放摆臂，摆臂下小球与固定臂下的小球在摆臂最低点处发生一维碰撞，记录固定臂小球落地为落点P，摆臂小球落点记为落点Q。（8）连接白纸上点o2、M,点o2、Q，点o1、P,并测量它们的长度。由于碰撞前后时两小球离底盘的高度是一致的，所以两个小球碰撞后在空中的运动时间是一样的设为时间t，设质量m1碰撞前的水平方向速度为v碰撞后与质量为m2的小球水平方向（平行底盘）的速度分别为v1，v2，根据动量守恒他们应满足m1v=m1v1+m2v2，两边同乘时间t，得到m1vt=m1v1t+m2v2t，即m1O2M=m1O2Q+m2O1P，代入实验所测的值，验证是否满足这一等式。

 进行二维碰撞动量守恒的验证时步骤：（1）将仪器水平臂调到一定高度，将碰撞方向指示箭头调至偏离固定臂中心。（2）将摆臂拔到最低处，闭合开关1，2，电磁铁通电，将质量大小都相同的两个小铁球分别放到固定臂与摆臂下，让其被吸起。（3）断开开关2，两小球竖直下落，固定臂与摆臂上的小球落点分别记为落点O1、O2。（4）将摆臂拔到最高处，并使其上面的电磁铁吸上小球，再释放摆臂，摆臂在重力作用下摆动，到最低位置时撞击到开关3使其断开，电磁铁断电，小球做平抛运动，落点记为M，跟一维碰撞实验一样，M为初始动量的情况下小球的落点。（5）将摆臂拔到最高处（保证两次摆动高度一致），让其电磁铁吸上小球、使固定臂上的电磁铁吸上另一个小球。释放摆臂，摆臂下小球与固定臂下的小球在摆臂最低点处发生二维碰撞（非对心碰撞），记录固定臂小球落地为落点P，摆臂小球落点记为落点Q。（6）连接白纸上点O1，P，点O2，M，点O2，Q,将直线O1P平移到直线O2M的端点O2处，使得三条直线端点O1，O2重合。由于碰撞使用的小球质量大小相同，且碰撞前后小球下落高度一致，空中运动时间一样，所以动量的矢量合成与留在白纸上小球碰撞前后的距离的矢量合成等效，因此应该满足初始动量情况下小球走的距离直线O2M，等于碰撞后的动量情况下两小球走距离O2Q，O1P的矢量合成，即满足平行四边形法则，以平移后O2Q，O1P作平行四边形，观察O2M是否为该平行四边形的对角线。

Claims (1)

1.一种一维、二维碰撞动量守恒验证仪器，其特征在于，包括底座、竖直臂、水平臂、固定臂、摆臂、电磁铁、活动卡口、调节螺钉、仪器电源接口、电源和电路；所述竖直臂通过卡口安装在长方形底座其中一个窄边中部，仪器电源接口嵌在竖直臂外沿下部靠近底座处，水平臂通过活动卡口套在竖直臂上，可上下移动，用连接螺钉使水平臂固定在竖直臂适当位置，固定臂和摆臂悬挂在水平臂下面，竖直臂和水平臂各有一个是电源开关K1和K2；

所述固定臂固定不动，下端设有一个电磁铁，可吸附小铁球；

所述摆臂铰接悬挂在水平臂下，可绕轴在竖直方向从水平位置至竖直位置转动，下端有一个电磁铁，吸附小铁球，带着小球摆动，且用水平臂上的调节螺钉调节摆臂摆动的方向；

所述摆臂与水平臂之间设有一个与开关K2并联的非自锁拨片开关，摆臂和它吸附的小铁球碰撞到固定的电磁铁所吸附的小铁球时，会触及该开关使其断开，同时两个电磁铁断电释放小铁球。