碰撞打靶实验 设计性实验 赵家群 讲师 理学院物理实验中心.

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1 碰撞打靶实验 设计性实验 赵家群 讲师 理学院物理实验中心

2 基本知识 1.碰撞：指两物体相互接触时，运动状态发生迅速变化的 现象。（“正碰”是指两碰撞物体的速度都沿着它们质心连线方向的碰撞；其他碰撞则为“斜碰”。） 2.弹性碰撞：在碰撞过程中没有机械能损失的碰撞。 3.非弹性碰撞：碰撞过程中，形变不能恢复，机械能不守恒，其中一部分转化为内能（热能）。

3 4.平抛运动：将物体用一定的初速度沿水平方向抛出，在不计空气阻力的情况下，物体所作的运动称为平抛运动。
5.动量守恒定律：一个系统不受外力或所受外力之和为零，这个系统的总动量保持不变，这个结论叫做动量守恒定律。 6.机械能的转化和守恒定律：合外力对物体没有做功和所做的功为零。物体在势能和动能相互转化过程中，物体的总机械能（即势能和动能总和）保持不变。

4 设计目的 物体间的碰撞是自然界中普遍存在的现象；单摆运动和平抛运动是运动学中的基本内容；能量守恒与动量守恒是力学中的重要概念。本实验研究两个球体的碰撞及碰撞前后的单摆运动和平抛运动，应用已学到的力学定律去解决打靶的实际问题；特别是从理论分析与实践结果的差别上，研究实验过程中能量损失的来源，自行设计实验来分析各种损失的相对大小，从而更深入地理解力学原理，并提高分析问题、解决问题的能力。

5 实验装置

6 铁球的质量：28.21g；铜球的质量：30.34g 铝球的质量：10.10g；撞击球质量：28.21g 撞击球球的直径均为：19.00mm

7 设计原理 x h

8 假设撞击球的质量为M，被撞球的质量为m，单摆向下运动的过程有:
两球相碰的瞬间，据动量守恒有:

9 由能量守恒有 被撞球被撞击后做平抛运动，假设下落的时间为 ，有 由以上公式得：

10 设计要求 1.确定靶的位置x0（15.00至20.00cm之间的某一个整数）以及球的高度y0（11.00至13.00cm之间的某一个整数），计算若无能量损失时撞击球的初始高度理想值h0。 2.在h0高度进行打靶实验，根据被撞击球的落点调整h值，使被撞击球尽可能击中靶心。 3.再进行四次打靶实验，记录每次打靶的h值和x值实验数据；据其中最接近靶心的一组数据计算碰撞过程前后机械能的总损失为多少。 4.分析能量损失来源

11 3.调节图中升降台的高度y，用气泡水准仪调仪器水平，此时升降杆上面可以稳定放置被撞击球，若难以放置可微调水平。
4.调节图中绳栓部件，使两根系绳的有效长度相等，系绳点在两立柱上的高度相同。 5.调节图中水平移动直尺，使撞击球的系绳恰好拉直，而球被吸住于电磁铁上。 6.放置好实验靶心，按电磁铁断电按钮实验碰撞打靶。 7.调节图中升降架的高度h，实验中可改变h值，记录接近靶心的x和h 。

12 能量损失分析 1.小球运动过程中受到空气阻力作用。 2.两球相碰时，并非完全弹性碰撞，有一部份能量损失。
3.被撞击球刚开始运动时与升降台之间有摩擦力作用。 4.两球相碰时,可能不是正碰。 5.相碰之前，撞击球可能不是做单摆运动等等。