多功能滑塊磁力碰撞器

閆順生

(唐山學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)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(diǎn)，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(diǎn).

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(diǎn).

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(diǎn)是碰撞前后系統(tǒng)的動量守恒，機(jī)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(yùn)動，其特點(diǎn)是碰撞前后系統(tǒng)的動量守恒，而機(jī)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(jī)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(dāng)m1>m2時，兩滑塊相碰后，二者沿相同的速度方向(與v10相同)運(yùn)動；當(dāng)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(yùn)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(jī)械能守恒定律和動量守恒定律是物理學(xué)中兩個重要的定律[2]，大學(xué)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(qiáng)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(yùn)動.兩個滑塊相向運(yùn)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(jìn)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(qiáng)力磁鐵設(shè)置在底座U形結(jié)構(gòu)的底部外面，強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)力磁鐵，強(qiáng)力磁鐵放置在底座的卡槽中.當(dāng)需要彈性碰撞時，把強(qiáng)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(yùn)動時則由于磁體同性相斥作用距離很近時彈性分開；當(dāng)需要非彈性碰撞時，則把強(qiáng)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(yùn)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)一步改進(jìn).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.