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演示实验指导书
2019-06-18 15:33  

球摆

实验目的:

借助球摆演示动量守恒和角动量守恒。

实验仪器:

实验操作:

拉起一摆至一定高度,放手令其自由摆动与另一摆碰撞,观看碰撞前后两摆运动状态的变化。

实验分析

根据牛顿第三定律作用力与反作用力大小相等方向相反,据此可推知在某一方向若物体系所受外力为零,即使物体系内部相互作用力很大,物体系在该方向的动量也总保持守恒;可绕固定轴转动的物体系统外力矩为零,物理系内部不同部件间存在较大内力,即使内力作用前后部件运动状态改变很大,其总角动量也要保持守恒。

讨论与思考:

1.球摆演示动量守恒(碰撞前后)的前提是摆杆相对于摆球质量可忽略,若摆杆质量不可忽略碰撞前后二球的动量守恒吗?角动量是否守恒?

2.完全相同的摆球相碰与质量不完全相同的球摆之间相碰撞,预期有什么现象出现?动量是否守恒?

3.若摆轴有明显摩擦力作用,两完全相同的摆球的球摆碰撞前后动量是否守恒?角动量是否守恒?从实验结果分析轴上摩擦力的影响是否可忽略?

4.改变两球碰撞条件(如加一块橡皮泥),使它成为非弹性碰撞,试分析对结果的影响。

等质量五连摆演示

实验目的

1.演示五个等质量球的弹性碰撞过程,加深对动量原理的解释。

2.可演示弹性碰撞时能量的最大传递。

3.使学生对弹性碰撞过程中的动量能量变化过程有更清晰的理解。

实验仪器

操作步骤及现象

1.将仪器放置在水平桌上,拉动左侧一个球使其偏离竖直方向一定角度,松手令它与余球碰撞,观察碰撞过程。

2.仿上述过程,一次拉动两球、三球、多球,令它们与余球碰撞,观察碰撞过程。

注意事项:

1. 不要用力拉球,以免悬线断开。

2. 搬动仪器轻拿轻放,以免悬线震断。

原理分析

由动量守恒和能量守恒原理,两个等质量球弹性正碰时,它们将交换速度。等质量五联摆装置使人们自由组合联球个数,进行实验演示。

讨论与思考:

1.   假设其中有一颗高度略低于其他四颗,这样能量会守恒吗?为什么?

2.   如果五颗都换成滑鼠的滚珠,碰撞的情形是否一样?为什么?

 

不等质量三联摆

实验目的:

1.演示三个不等质量球的弹性碰撞过程,加深对动量原理的理解;

2.使学生加深对弹性碰撞过程中的动量能量变化过程的理解。

实验仪器:

实验操作:

将仪器放置在水平桌上,拉动左侧一个球使其偏离竖直方向一定角度,松手令它与余球碰撞,观察碰撞过程。

 

注意事项:

1. 不要用力拉球,以免悬线断开。

2. 搬动仪器轻拿轻放,以免悬线震断。

原理分析:

系统内力只改变系统内各物体的运动状态,不能改变整个系统的运动状态,只有外力才能改变整个系统的运动状态,所以,系统不受或所受外力为0时,系统总动量保持不变。

 

载摆小车

实验目的:

演示物理摆及小车系统一维(水平方向)的动量守恒。

实验仪器:

实验操作:

1.将物理摆小车系统放置于水平桌面上,观察小车是否移动。结果:小车不动。

2.左手扶小车右手托起物理摆使它与竖直方向有一定角度(比如90度),两手同时放开,观察物理摆小车系统的运动。结果:发现小车和物理摆向反方向移动,而小车和物理摆组成的整体相对桌面并不发生移动。

原理分析:

由动量定理可知,物体或物体系(质点系)在某一方向受到的合外力为零时,它在此方向上的动量将保持不变.当质量为m1的小车以速度v1向左移动的时候,质量为m2的小球会以速度v2向右移动。而小车和物理摆组成的整体相对桌面不会发生位移。即:

原理图

注意事项:

不要使物理摆小车系统太靠近桌面边沿,以免仪器跌落损坏。

讨论与思考:

1.令物理摆小车系统初始处在物理摆成水平状态,从静止开始运动,注意观察其质心(或车身)的位置。发现其质心位置会向摆锤指向的反方向运动。请对此现象予以解释。

2.本演示实验可否以小船代替小车?为什么?

逆风行舟

实验目的:

演示动量原理,特别是其矢量特点及其实际应用,也可作帆板竞赛教具。

实验仪器:

实验操作:

1、把小船放在平台上任意位置和方向,并任意地旋转帆的方向,观察小船是否运动。结果:小船不动。

2、调整帆的方向和船的方向及位置,如图1所示放置,观察小船是否运动。结果:小船不动。

2、小船保持步骤2的状态不变,打开风扇电源开关,观察小船是否运动。结果:小船沿红色箭头方向运动。注意:如果小船不动,可能是向或帆的方向不正确,需要进行微调。

原理分析:

船可以逆风而行是因为风对船帆有作用力,且因帆的形状不同作用力方向也不同,调整好适当的帆形,船就可以逆风前进了。

船底设有龙骨。其作用是使其侧阻力很大,即使有力从侧面作用于船,水的阻力总可与之相抵消。船不会因此向侧面运动。风沿着与船前进的方向大于90度或者小于180度吹向船帆(逆风),接触到船帆之后,由于帆的阻力,风将顺着帆运动沿线的相反方向运动,整个过程风受到船帆给予的冲量,方向与船前进的方向成大于90度小于180度的夹角。根据作用力与反作用力的性质,船帆会受到风给予的冲量,方向与船成小于90度的夹角,由于冲量等于力乘以作用时间,整个过程可认为力的大小恒定,即帆受到与前进方向成小于90度角的恒力,因此可以前进。

讨论与思考:

1.延长碰撞作用时间以减少冲力:如精密仪器易碎品常用泡沫塑料或瓦棱纸包装;船头船舷以及码头岸边都挂有轮胎用作缓冲;体操运动员腾空后落地必须屈膝,跳高运动员落地时常用海绵作缓冲等。

2.利用动量的迅速变化产生巨大的力:如冲击钻,水力挖泥,定向爆破。

3.关于连续体的作用力的计算。

 

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