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关于原子守恒定律

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Answer 1

实验简介

动量守恒定律和能量守恒定律在物理学中占有非常重要的地位。力学中的运动定理和守恒定律最初是从牛顿定律导出来的，在现代物理学所研究的领域中存在很多牛顿定律不适用的情况，例如高速运动物体或微观领域中粒子的运动规律和相互作用等，但是能量守恒定律仍然有效。因此，能量守恒定律成为了比牛顿定律更为普遍适用的定律。

本实验的目的是利用气垫导轨研究一维碰撞的三种情况，验证动量守恒和能量守恒定律。定量研究动量损失和能量损失在工程技术中有重要意义。同时通过实验还可提高误差分析的能力。

实验原理

如果一个力学系统所受合外力为零或在某方向上的合外力为零，则该力学系统总动量守恒或在某方向上守恒。即

= 衡量 (1)

实验中用两个质量分别为的滑块来碰撞（图4.1.2-1），若忽略气流阻力，根据动量守恒有

(2)

对于完全弹性碰撞，要求两个滑行器的碰撞面有用弹性良好的弹簧组成的缓冲器，我们可用钢圈作完全弹性碰撞器；对于完全非弹性碰撞，碰撞面可用尼龙搭扣、橡皮泥或油灰；一般非弹性碰撞用一般金属合金、铁等，无论哪种碰撞面，必须保证是对心碰撞。

当两滑块在水平的导轨上作对心碰撞时，忽略气流阻力，且不受其他任何水平方向的外力的影响，因此这两个滑块组成的力学系统在水平方向动量守恒。由于滑块作一维运动，式(2)中矢量可改成标量， 的方向由正负号决定，若与所选取的坐标轴方向相同则取正号，反之则取负号。

n 完全弹性碰撞

完全弹性碰撞的标志是碰撞前后动量守恒，动能也守恒，即

(3)

(4)

由(3)、(4)两式可解得碰撞后的速度为

(5)

(6)

如果，则有

(7)

(8)

动量损失率为

(9)

能量损失率为

(10)

理论上，动量损失和能量损失都为零，但在实验中，由于空气阻力和气垫导轨本身的原因，不可能完全为零，但在一定误差范围内可认为是守恒的。

n 完全非弹性碰撞

碰撞后，二滑块粘在一起以同一速度运动，即为完全非弹性碰撞。在完全非弹性碰撞中，系统动量守恒，动能不守恒。

(11)

在实验中，让，则有

(12)

(13)

动量损失率

(14)

动能损失率

(15)

n 一般非弹性碰撞

一般情况下，碰撞后，一部分机械能将转变为其他形式的能量，机械能守恒在此情况已不适用。牛顿总结实验结果并提出碰撞定律：碰撞后两物体的分离速度与碰撞前两物体的接近速度成正比，比值称为恢复系数，即

(16)

恢复系数由碰撞物体的质料决定。值由实验测定，一般情况下，当时，为完全弹性碰撞；时，为完全非弹性碰撞。

n 验证机械能守恒定律

如果一个力学系统只有保守力做功，其他内力和一切外力都不做功，则系统机械能守恒。如图4.1.2-2所使，将气垫导轨一端加一垫块，使导轨与水平面成角，把质量为的砝码用细绳通过滑轮与质量为 的滑块相连，滑轮的等效质量为，根据机械能守恒定律，有

(17)

式中为砝码下落的距离，和分贝为滑块通过距离的始末速度。如果将导轨调成水平，则有

(18)

在无任何非保守力对系统做功时，系统机械能守恒。但在实验中存在耗散力，如空气阻力和滑轮的摩擦力等做功，使机械能有损失，但在一定误差范围内可认为机械能是守恒的。

实验内容

n 研究三种碰撞状态下的守恒定律

l 取两滑块、，且，用物理天平称、，用物理天平称 、 的质量（包括挡光片）。将两滑块分别装上弹簧钢圈，滑块置于两光电门之间（两光电门距离不可太远），使其静止用碰分别记下通过第一个光电门的时间和经过第二个光电门的时间，以及通过第二个光电门的时间，重复五次，记录所测数据，数据表格自拟，计算、。

l 分别在两滑块上换上尼龙搭扣，重复上述测量和计算。

l 分别在两滑块上换上金属碰撞器，重复上述测量和结果。

n 验证机械能守恒定律

l 时，测量、、、、、，计算势能增量和动量增量 ，重复5次测量，数据表格自拟。

l 时（即将导轨一端垫起一固定高度 ，），重复以上测量。