自制双单摆实验装置验证动量守恒定律 お

刘志勇

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，本研究设计了一套双单摆实验装置来验证动量守恒定律.

1实验原理

若系统不受外力或所受外力的矢量和为零，则系统的总动量保持不变.设两个滑块的质量分别为m1和m2它们在碰撞前的速度为v11和v21，碰撞后的速度为v12和v22，则根据动量守恒定律有

m1v11[TX→]+m2v21[TX→]=m1v12[TX→]+m2v22[TX→].

2实验装置

图中标记，底座1，调平螺丝2，水平仪3，支架4，单摆5，摆长调节螺丝6，细线7，透明刻度板8.

3实验方案

3.1摆球质量相等

验证质量相等摆球的动量守恒时将透明刻度板拿掉，如图1所示.调节底座1上的调节螺丝2，使水平仪3的气泡处于底座1的中心圆内，说明底座1已成水平状态；调节摆长调节螺丝6使两个单摆5的摆长相等，调节两摆绳上的细线7使对应相同的支架刻度，调节两单摆5之间的距离使两摆球A、B刚好接触且圆心在同一直线上.一摆球B静止，将另一摆球A拉至一定位置，使摆绳上的细线对应支架标尺一定的刻度，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[LL][HJ1.53mm]量守恒.

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7对应支架4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，受碰的摆球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5的刻度与摆球A摆绳上细线7的初始刻度相同，记录此时摆球对应支架4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.

将两摆球A、B向左右拉至一定位置使每个摆绳上的细线7对应支架4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7所对的支架刻度与初始刻度相同，两摆球A、B速度减为零.

3.2摆球质量不相等

若此实验装置中两摆球的质量不相等，摆球在碰撞之后都会有运动速度，且摆球的运动轨迹和运动的最高点不相同，此时可以通过背景刻度板8读出单摆摆绳上细线的位置，从而确定摆球的位置，如图1所示，计算摆球的动量和能量，以验证质量不等摆球碰撞的动量守恒定律.

4结论

一种验证弹性碰撞动量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.

【基金项目：河北省教育科学研究“十二五”规划2013年度课题（编号：13040251）】