20.FD-CI-B型碰撞打靶实验仪说明书

FD-CI-B型

碰撞打靶实验仪

说

明

书

上海复旦天欣科教仪器有限公司

中国上海

FD-CI-B型碰撞打靶实验仪

一. 概述

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。本碰撞打靶实验仪，研究两个球体的碰撞，以及碰撞前小球的单摆运动和碰撞后被撞球的平抛运动，运用已学到的力学定律去解决打靶的实际问题。并从理论计算与实验结果的差值，求得碰撞前后的能量损失，以此提高学生分析和解决力学问题的能力。本实验仪具有以下优点：

1.仪器底座采用高强度铝合金导轨，滑块上的刻线与导轨上刻线处于同一平面，可消除视差。

2.安放被撞钢球的载球支柱，上端面为圆锥形平头，带弱磁性，小球可稳定定位于平头上，且小球质心通过磁场的中心位臵。由于载球支柱平台截面小，可减小碰撞后被撞小球克服摩擦阻力所做功。

3.摆球的悬挂点与被电磁铁吸引后的摆球质心位臵及被撞小球的质心位臵通常处于同一平面，只要二球质心等高调整好，打靶实验重复性好。

4.仪器设计合理、装臵牢靠、美观、经久耐用。

本仪器可用于高等院校、中专、中学的基础物理实验、物理演示实验。

二. 技术指标

1.带电磁铁可升降架，立柱上刻度0-20cm。

2.摆球，钢质，直径2.0cm。

3.被撞钢球，直径2.0cm和1.8cm两种。

4.导轨，高强度铝合金材料，燕尾槽结构，导轨长度0-35cm。

5.载球支柱，上端截面圆形，直径4mm，带弱磁性。

6.靶盒，长30cm，宽12cm。

7.滑块，高强度铝合金材料，燕尾槽结构。

8.单摆立杆，长45cm，可改变摆线长度。

三. 仪器外形图

1.调节螺钉

2.导轨

3.滑块

4.立柱

5.刻线板

6.摆球

7.电磁铁8.衔铁螺钉9.摆线10.锁紧螺钉11.调节旋钮12.立柱

13.被撞球14.载球支柱15.滑块16.靶盒

四. 仪器使用方法

1.将仪器按图示放臵，调整“调节螺钉1”，使“导轨2”处于水平，并用水平

器校验。

2.移动“滑动15”至“摆球6”正下方。右手拧松“锁紧螺钉10”，同时左手调节“旋钮11”，使摆球对准“载球支柱14”并与之相切。然后拧紧“锁紧螺钉10”。

3.记下“滑块15”此时在导轨上的刻度位臵，并使“滑块15”向左移动一个距离，该距离应等于摆球半径加被撞球半径。然后利用滑块上的固定螺钉将滑块锁紧在导轨的该位臵上。

4.在“靶盒16”中，放入靶纸，并在上面覆盖一张复写张。

5.将直流电流源与“按钮盒”连接。

6.将“摆球”放在电磁铁下的衔铁口上，调节“衔铁螺钉8”，使摆球与衔铁口整个孔口接触。

7.移动“滑块3”使摆线呈直线状。

8.将“被撞球13”，放臵在“载球支柱14”上。

9.按下“按钮”，摆球自由下摆，与“被撞球”碰撞。“被撞球”作平抛运动，进入靶盒，在靶纸上留下落点位臵。

10.记录ｘ、ｈ值。测出ｙ值。并作数据处理。

五. 实验注意事项

1.避免“衔铁螺钉”位臵调节过低，必须保证“摆球”与衔铁口紧密接触。确保“摆球”的定位，重复测量时，尽可能做到摆球和衔铁接触位臵相同。

2.“摆球”运动时，摆臂不得晃动，相关的固定螺丝必须拧紧。

3.电磁铁吸住摆球时，摆线应处于直线状态。摆线不得有明显松驰现象。

碰撞打靶实验

（复旦大学物理教学实验中心提供）

物体间的碰撞是自然界中普遍存在的的现象，从宏观物体的一体碰撞到微观物体的粒子碰撞都是物理学中极其重要的研究课题。

本实验通过两个体的碰撞、碰撞前的单摆运动以及碰撞后的平抛运动，应用已学到的力学定律去解决打靶的实际问题，从而更深入地了解力学原理，并提高分析问题、解决问题的能力。

一．实验原理

1.碰撞：指两运动物体相互接触时，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.碰撞时的动量守恒：两物体碰撞前后的总动量不变。

3.平抛运动：将物体用一定的初速度υ

沿水平方向抛出，在不计空气阻力的情

况下，物体所作的运动称平抛运动，运动学方程为χ＝υ

0t，ｙ＝

2

1gt2（式ｔ中是从

抛出开始计算的时间，χ是物体在时间ｔ内水平方向的移动距离，ｙ是物体在该时间内竖直下落的距离，ｇ是重力加速度）。

4.在重力场中，质量为ｍ的物体在，被提高距离ｈ后，其势能增加了E

p

＝mgh

5.质量为m的物体以速度υ运动时，其动能为E

k =

2

1mυ2。

6.机械能的转化和守恒定律：任何物体系统在势能和动能相互转化过程中，若合外力对该物体系统所做的功为零，内力都是保守力（无耗散力），则物体系统的总机械能（即势能和动能的总和）保持恒定不变。

7.弹性碰撞：在碰撞过程中没有机械能损失的碰撞。

8.非弹性碰撞：碰撞过程中的机械能不守恒，其中一部分转化为非机械能（如热能）。

二．实验仪器

碰撞打靶实验仪如图1所示，它由导轨、单摆、升降架（上有小电磁铁，可控断通）、被撞小球及载球支柱，靶盒等组成。载球立柱上端为锥形平头状，减小钢球与支柱接触面积，在小钢球受击运动时，减少摩擦力做功。支柱具有弱磁性，以保证小钢球质心沿着支柱中心位臵。

1.调节螺钉

2.导轨

3.滑块

4.立柱

5.刻线板

6.摆球

7.电磁铁8.衔铁螺钉9.摆线10.锁紧螺钉11.调节旋钮12.立柱

13.被撞球14.载球支柱15.滑块16.靶盒

图1 碰撞打靶实验仪

升降架上装有可上下升降的磁场方向与杆平行的电磁铁，杆上的有刻度尺及读数指示移动标志。仪器上电磁铁磁场中心位臵、单摆小球（钢球）质心与被碰撞小球质心在碰撞前后处于同一平面内。由于事前二球质心被调节成离导轨同一高度。所以，一旦切断电磁铁电源，被吸单摆小球将自由下摆，并能正中地与被击球碰撞。被击球将作平抛运动。最终落到贴有目标靶的金属盒内。

小球质量可用电子天平称衡（电子天平公用）。

三．实验内容

（一）必做内容：观察电磁铁电源切断时，单摆小球只受重力及空气阻力时运动情况，观察二球碰撞前后的运动状态。测量二球碰撞的能量损失。

1.调整导轨水平（为何要调整？如何用单摆铅直来检验？）如果不水平可调节导轨上的两只调节螺钉。

2.用电子天平测量被撞球（直径和材料均与撞击相同）的质量ｍ，并以此也作为撞击球的质量。

3.根据靶心的位臵，测出ｘ，估计被撞球的高度ｙ（如何估计？），并据此算

出撞击球的高度ｈ

0（预习时应自行推导出由ｘ和ｙ计算高度ｈ

的公式）

4.通过绳来调节撞击球的高低和左右，使之能在摆动的最低点和被撞球进行正

碰。

5.把撞击球吸在磁铁下，调节升降架使它的高度为ｈ

（如何测量）细绳拉直。

6.让撞击球撞击被撞球，记下被撞球击中靶纸的位臵。（可撞击多次求平均），据此计算碰撞前后总的能量损失为多少？应对撞击球的高度作怎样的调整，才可使

击中靶心？（预习时应自行推导出由X'和y，及计算高度差h-h

=Δh的公式。）

7.对撞击球的高度作调整后，再重复若干次试验，以确定能击中靶心的h 值；请老师检查被撞球击中靶纸的位臵后记下此h 值。

8.观察二小球在碰撞前后的运动状态，分析碰撞前后各种能量损失的原因。

（二）选做内容

观察二个不同质量钢球碰撞前后运动状态，测量碰撞前后的能量损失。用直径、质量都不同的被撞球，重复上述实验，比较实验结果并讨论之。（注意：由于直径不同，应重新调节升降台的高度，或重新调节细绳。）

四．思考题

1.如两质量不同的球有相同的动量，它们是否也具有相同的动能？如果不等，哪个动能大？

2.找出本实验中，产生Δh 的各种原因（除计算错误和操作不当原因外）。

3.在质量相同的两球碰撞后，撞击球的运动状态与理论分析是否一致？这种现象说明了什么？

4.如果不放被撞球，撞击球在摆动回来时能否达到原来的高度？这说明了什么？

5.此实验中，绳的张力对小球是否做功？为什么？

6.定量导出本实验中碰撞时传递的能量e 和总能量E 的比ε＝e/E 与两球质量比μ=2

1m m 的关系。 7.本实验中，球体不用金属，用石蜡或软木可以吗？为什么？

8.举例说明现实生活中哪些是弹性碰撞？哪些是非弹性碰撞？它们对人类的

益处和害处如何？

9.据科学家推测，6500万年前白垩纪与第三纪之间的恐龙灭绝事件，可能是由一颗直径约10km 的小天体撞击地球造成的。这种碰撞是否属于弹性碰撞？

五．实验拓展

1.*本实验中，即使操作完全正确，撞击球高度的计算值h 0与实际值h 仍然是不同的，请分析其主要原因（如空气阻力、摩擦力、非正碰、非弹性碰撞等等），并设计实验来验证你的结论。

2.用石蜡、软木或其他软材料自制被撞球，重复上述实验，比较实验结果，并讨论之。

3.有一个长方体七球实验架如图2所示，球体是用实心硬塑料制成，直径8cm ，质量约为140g ，悬挂在框架两横梁对应的挂钩上，每一相邻挂钩相距恰好等于塑料球的直径，球心处在同一水平线上，

球与球之间刚好接触，球体在运动时能保持在

一个铅垂平面内。用该实验架做质量相等和质

量不等的弹性碰撞和完全非弹性碰撞实验，并

找出其规律。（用黑封泥可以将两个或数个球粘

接在一起，还可以增加球的质量。）

图2 七球碰撞架

六．实验数据例：碰撞打靶实验（仅供参考）

由实验原理得：y y m x m m h ++=212

221016)(；当ｍ1＝ｍ2时，h 0=ｙ

ｘ42＋ｙ;

Δh＝ｈ－h

0=

y

x x

4

2

1

2

1.数据测量：

表1 打靶前各参数测量值

2.打靶记录

表2 各次打靶测量数据

3.结论：能击中十环的ｈ值为33.2cm。上海地区重力加速度为ｇ＝9.794ｍ/s2，碰撞过程中的总能量损失为

mg(h

1-h

)=32.70×10-3×9.794×1.60×10-2=5.13×10-3J

4.求碰撞打靶中A 类不确定度

现以ｈ＝14.4cm ，ｙ＝17.2cm 进行打靶。其X 的数据如表3所示：

表3 在相同条件下，得利得复10次测量结果

9.27X 1X 1＝ｎ＝ｈ

ｉ＝ｉ∑cm ，u A ＝）ｎ（ｎ－）－（ｎｉ＝ｉ1X X 2

1∑＝0.15cm

得x ±u A (x)=(27.9±0.15)cm

选做内容（略）同必做内容，但要注意是在1m ≠2m 的情况下的实验。

七．思考题参考答案：

1.答：不具有相同的动能，质量小的动能大。

2.答：产生Δh 的主要原因为：A.空气阻力；B.被撞球和球台顶端的摩擦力；

C.非弹性碰撞的因素。

3.答：不一致。由于被撞球和球台顶端的摩擦力的作用，并且碰撞后撞击球略有反弹。

4.答：不能达到原来的高度，这说明有空气阻力。

5.答：不做功。因为所选用的绳几乎无伸长作用，此时小球的运动方向和绳的张力方向为90度。

6.答：得ε＝214）

＋（μμ。 7.答：不可以。石蜡和软木容易变形，是非弹性碰撞为主。

8.答：弹性碰撞：真空实验中的粒子碰撞、宇宙非船中的物体碰撞、这些对人类没有害处，况且粒子碰撞还会对物质的认识有易。

非弹性碰撞：天体之间的碰撞、汽车之间的碰撞、这类碰撞害多利少，但反导弹的拦截对保护自己有力。

9.答：不属于。

八．参考资料

1.沈元华、陆申龙基础物理实验，北京：高等教育出版社，2003：29－32。

2.沈元华等设计性研究性物理实验教程，上海：复旦大学出版社，2004：2－4。

3.郑永令、贾起民、方小敏力学，北京：高等教育出版社，2002：179－183。

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