多功能滑塊磁力碰撞器

閆順生

(唐山學院基礎(chǔ)教學部 河北 唐山 063000)

目前，公知的物理動量守恒實驗滑塊碰撞器有兩種，一種是由彈簧圈作完全彈性碰撞器，一種是由尼龍搭扣、橡皮泥或油灰作完全非彈性碰撞.但是這兩種碰撞器都存在一定使用缺點，其中用彈簧圈作彈性碰撞容易變形疲勞，失去彈性，用尼龍搭扣、橡皮泥或油灰作完全非彈性碰撞粘接力差，而且還存在制作不易、使用次數(shù)少等缺點.

為了克服現(xiàn)有的彈性碰撞器易變形疲勞，非彈性碰撞器制作麻煩，粘接力差，碰撞效果不好而且壽命短的不足，利用磁鐵同性相斥異性相吸的特性研制一種新碰撞器，具有多功能完成兩種典型碰撞、結(jié)構(gòu)簡單和壽命長久的特點.

1 原理介紹

若系統(tǒng)不受外力或所受外力的矢量和為零，則系統(tǒng)的總動量保持不變，此即動量守恒定律.水平氣墊導(dǎo)軌上的兩個物體，由于氣墊的漂浮作用，物體受到的摩擦力可忽略不計[1]，這樣就非常接近理論條件，因此可利用氣墊導(dǎo)軌來驗證碰撞前后系統(tǒng)的總動量守恒.

設(shè)兩滑塊的質(zhì)量分別為m1和m2，碰撞前的速度為v10和v20，碰撞后的速度為v1和v2.根據(jù)動量守恒定律，有

m1v10+m2v20=m1v1+m2v2

(1)

為驗證動量是否守恒，通常實驗設(shè)計兩種典型的碰撞，即彈性碰撞和完全非彈性碰撞. 彈性碰撞的特點是碰撞前后系統(tǒng)的動量守恒，機械能也守恒，而完全非彈性碰撞是兩個滑塊碰撞后粘在一起共同運動，其特點是碰撞前后系統(tǒng)的動量守恒，而機械能不守恒.

下面具體介紹實驗中兩種典型的碰撞.

1.1 彈性碰撞

兩滑塊的相碰端裝有緩沖彈簧，它們的碰撞可以看成是彈性碰撞.在碰撞過程中除了動量守恒外，它們的動能完全沒有損失，也遵守機械能守恒定律，有

(2)

(1)若兩個滑塊質(zhì)量相等，m1=m2=m，且令質(zhì)量為m2的滑塊碰撞前靜止，即v20=0.則由式(1)、 (2)得到

v1=0v2=v10

即兩個滑塊將彼此交換速度.

(2)若兩個滑塊質(zhì)量不相等，m1≠m2，仍令v20=0，則有

m1v10=m1v1+m2v2

及

可得

當m1>m2時，兩滑塊相碰后，二者沿相同的速度方向(與v10相同)運動；當m1

1.2 完全非彈性碰撞

將兩滑塊上的緩沖彈簧取去.在滑塊的相碰端裝上尼龍扣.相碰后尼龍扣將兩滑塊扣在一起，具有同一運動速度，即

v1=v2=v

仍令

v20=0

則有

m1v10=(m1+m2)v

所以

2 儀器及碰撞過程介紹

機械能守恒定律和動量守恒定律是物理學中兩個重要的定律[2]，大學通常開設(shè)驗證動量守恒定律的實驗.儀器構(gòu)造見圖1和圖2,動量守恒實驗系統(tǒng)一般包含滑塊1、擋光片2、固定螺母3、底座4、強力磁鐵5、光電門6、氣墊導(dǎo)軌7、數(shù)字計數(shù)器8和氣泵9.兩個上述滑塊1放置在氣墊導(dǎo)軌7的兩端，氣墊導(dǎo)軌7上設(shè)有兩個光電門6，兩個光電門6與數(shù)字計數(shù)器8連接.氣墊導(dǎo)軌7表面設(shè)有多個氣孔，氣墊導(dǎo)軌7連接氣泵9.

圖1 磁力碰撞器和滑塊示意圖

圖2 驗證動量守恒整體裝置示意圖

氣泵9將壓縮空氣送入氣墊導(dǎo)軌7內(nèi)腔，空氣再由氣墊導(dǎo)軌表面上的氣孔噴出，在氣墊導(dǎo)軌表面與滑塊1內(nèi)表面之間形成很薄的氣墊層，滑塊1就浮在氣墊層上，與氣墊導(dǎo)軌的軌面脫離接觸，因而能在氣墊導(dǎo)軌的軌面上做近似無阻力直線運動.兩個滑塊相向運動碰撞，滑塊上的擋光片2經(jīng)過光電門6時，速度分別被數(shù)字計時器8記錄，這樣就獲得了碰撞前后兩個滑塊的動量，因此可以驗證碰撞動量是否守恒. 實驗裝置實物圖如圖3所示.

圖3 實驗裝置實物圖

以下結(jié)合圖3，通過實例對磁力碰撞器作進一步說明.磁力碰撞器底座為U形結(jié)構(gòu)，U形結(jié)構(gòu)的開口寬度與滑塊寬度相匹配，底座的U形結(jié)構(gòu)卡在滑塊的端部，通過固定螺母和螺栓將底座與滑塊固定在一起；強力磁鐵設(shè)置在底座U形結(jié)構(gòu)的底部外面，強力磁鐵位于整個滑塊的最前端；所述底座U形結(jié)構(gòu)的底部外面設(shè)有卡槽，強力磁鐵卡在卡槽內(nèi).

固定螺母把底座固定在滑塊上，底座固定強力磁鐵，強力磁鐵放置在底座的卡槽中.當需要彈性碰撞時，把強力磁鐵同性相對分別安裝在兩個相對的滑塊上，兩個滑塊相向運動時則由于磁體同性相斥作用距離很近時彈性分開；當需要非彈性碰撞時，則把強力磁鐵異性相對分別安裝在兩個相對的滑塊上，兩個滑塊相向運動時則由于磁體異性相吸作用粘接在一起，完成非彈性碰撞.

所述底座為鋁合金磁體底座，底座前的卡槽便于強力磁鐵放置和取出，在彈性碰撞和非彈性碰撞切換時只需要切換組合兩個強力磁鐵的磁極，簡單方便.

磁力碰撞器的有益效果是：可以多功能完成滑塊彈性和非彈性兩種碰撞，結(jié)構(gòu)簡單,使用方便而且壽命長.

3 實施效果

應(yīng)用此實用新型碰撞器做了多次實驗，兩次彈性碰撞A和B，一次非彈性碰撞C，其中m1=m2=m；擋光片的距離d= 1 cm，數(shù)據(jù)如表1～表3所示.

表1 彈性碰撞A實驗數(shù)據(jù)記錄表

表2 彈性碰撞B實驗數(shù)據(jù)記錄表

表3 彈性碰撞C實驗數(shù)據(jù)記錄表

數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表4所示.表中碰撞前動量

p0=m1v11-m2v21

碰撞后動量

p=m2v22-m1v12

動量差

Δp=p0-p

百分誤差

表4 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

4 結(jié)果分析

從實驗結(jié)果來看，誤差一般在10%以內(nèi)，證明磁力碰撞器可以應(yīng)用在驗證動量守恒定律實驗上；其中非彈性碰撞誤差較大，接近10%，這可能是由于實驗中磁鐵相吸導(dǎo)致滑塊質(zhì)量分布不均，滑塊漂浮受影響，摩擦力增大，效果略差，有待進一步改進.磁力碰撞器在驗證動量守恒碰撞器方面提供了一個新的途徑和思路.