实验二：在气垫跑道上验证动量守恒定律 动量是描述物体运动的一个非常重要的物理量，动量守恒定律是人们发现的最早的守恒定律，如果一个系统不受外力作用或外力的矢量和为零，那么系统的总动量保持不变，这个结论就叫做动量守恒定律。 动量守恒定律是自然界最重要、最普遍的守恒定律之一，它既适用于宏观物体，也适用于微观粒子；既适用于低速运动的物体，也适用于高速运动的物体。动量守恒定律、能量守恒定律、角动量守恒定律都是普遍的自然规律。当微观粒子高速运动（速度接近光速）时，牛顿定律就不再适用了，但上述定律仍然适用。在现代物理研究中，动量守恒定律已经成为一条重要的基本定律，它是一个实验定律，也可以由牛顿第三定律、动量定律推导出来。 实验目的1、验证弹性碰撞与完全非弹性碰撞的动量守恒定律。实验仪器：QDG-1型气垫导轨实验装置一套、JMS-1型计时计数测速仪一台（实验前请仔细阅读附录1、附录2中相应的使用说明书）。实验原理：在水平导轨上放置两个滑块，将两个滑块看作一个系统，水平方向不受外力，碰撞前后两个滑块的总动量应保持不变。设两个滑块的质量分别为M和M，碰撞前的速度分别为V和1 21 V，碰撞后的速度分别为V ′和V ′。 根据动量守恒定律，可得： 212M V +MV =MV ′+MV ′1 1 2 2 1 1 2 2 只要测得碰撞前后两滑块的速度，并称量其质量，就可验证动量守恒定律。
实验内容 1、弹性碰撞 1.1实验装置见图1 弹射器 VAG 光电门支架 G 滑轨 VB 弹射器 12 图6 图1 弹性碰撞实验装置示意图 《图6》 1.2在导轨安装滑轮端安装弹射架，将两只光电门分别放置在导轨30cm、80cm处，调整导轨水平； 1.3在两块滑轨上分别安装1cm遮光片，在滑轨两端安装弹性架M。 1 1.4用天平分别称出两块滑轨的质量M、M； 1 2 1.5在“碰撞”档位中选择定时器功能，让两块滑轨分别放置在导轨两端，作为运动起点。 用手同时推动两个滑块，使它们相向运动验证角动量守恒定律，分别通过两个光电门中间发生碰撞，碰撞后，它们向相反方向运动，再次分别通过两个光电门。此时计时器会自动测量4个时间t，t′，t，t′1 1 2 2（详见数字计时器J0201-CC或J0201-CHJ的使用说明书）。1.6计算碰撞前后两个滑块通过两个光电门时对应的速度V，V′，V，V′。1 1 2 2 1.7将以上测得的速度和计算出的滑块质量代入公式（4.1）计算，在误差范围内，公式MV+MV=MV′+MV′成立，验证了动量守恒定律。 1 1 2 2 1 1 2 2 2.完全非弹性碰撞 2.1实验装置 见图2 GV扣 GVB弹射器 1光电门支架 A=02滑块 图2 完全非弹性碰撞实验装置示意图 图7 《图7》 2.2在轨道两端安装弹射器，将光电门分别放置在距离轨道30cm和80cm处，并调整轨道至水平。
2.3 在每个滑块的一端装上1cm厚的遮光片及扣环。2.4 用天平称量两个滑块的质量M和M。2.5 在“间隔计时”档位中选择计时功能，将一个滑块M放置在导轨中间并保持静止（即两个光电门之间），将另一个滑块M放置在导轨的进气端。用手将滑块M向滑块M方向推。通过其中一个光电门后，自动计时。与滑块M发生完全非弹性碰撞后，两个滑块继续向同一方向运动，通过另一个光电门，自动计时。立即用手轻轻停止滑块移动。2.6 计算两个滑块在完全非弹性碰撞前后通过光电门时对应的V和V速度。 1 2 2.7 通过以上测量与计算可知，完全非弹性碰撞前滑块总动量为MV，完全非弹性碰撞后滑块总动量为 1 1 (M+M)V，在误差范围内，公式 MV=(M+M)V 成立，验证了动量守恒定律。 1 2 21 1 1 2 2 思考问题 1、结合实际情况，实验中造成测量误差的主要因素有哪些？ 2、请说明动量守恒定律的条件？请举例说明动量守恒定律的实际应用？ 附录1 QDG-1 型气垫导轨使用说明书 使用前请务必仔细阅读使用说明书。 1、概述 气垫导轨是采用气垫原理工作的。 它是用微声气泵将压缩空气泵入导轨腔体，再从导轨表面按一定规律分布的许多小孔中喷出，在导轨平面与滑块内表面之间形成一层薄薄的空气层——气垫。滑块被气垫顶起，悬浮在导轨上。滑块在气轨表面运动过程中，只受到很小的空气粘性阻力，能量损失极小。因此，滑块的运动可以近似地看作是无摩擦阻力的运动。
它大大减少了力学实验中由于摩擦而引起的误差，使实验结果基本接近理论值，提高了实验精度，使实验现象真实直观，实验效果明显，易于学生接受。气垫导轨与计时器、微声气泵配合使用，可以定量测量各种力学量，验证力学规律，是教师演示和学生小组实验的理想仪器。2、技术性能1、导轨工作面：QDG-2-1.2型长度；QDG-2-1.5型长度；QDG-2-2.0型长度；2、导轨在纵向垂直平面内的直线度：全长≤0.10mm；任意400mm长度≤±0.05mm；3、导轨工作面的角度：90°+0.1°； 4.导轨工作面表面粗糙度：Ra3.2 5.导轨节距：QDG-2-1.2型：600mm；QDG-2-1.5型：800mm；QDG-2-2.0型：。6.喷气孔直径：0.8mm；7.导轨进气口外径：φ30mm；8.滑块：QDG-2-1.2型：长度121mm，质量约155g；QDG-2-1.5型：长度156mm，质量约200g；QDG-2-2.0型：长度242mm验证角动量守恒定律，质量约310g；9.滑块浮动高度：在气体压力不小于5.8kPa和最大负载质量不小于滑块质量的3倍的条件下，不小于0.10mm； 10、工作环境温度：0℃～40℃；11、相对湿度：不大于90%RH；12、所需气源压力：不小于5.8kPa。
三、仪器特点、结构及附件 1、导轨是气垫导轨的主体，采用优质合金铝型材制成，重量轻，机械强度高，特殊的结构设计增加了其机械强度，长期使用不易变形，其直线度在出厂前经过精密加工保证。 2、导轨两端的插头为可拆卸式，方便清理导轨内腔。 3、导轨两侧可安装光电闸门，方便学生观察实验现象。见“图1”。 4、仪器实验附件结构见“表1”。 4、使用、维护及保养说明 1、气垫导轨的附件较多，安装前必须仔细阅读说明书和图1，了解各附件的用途及安装位置。 2、气垫导轨实验精度高，应使用稳定、平整的实验台放置仪器。 安放时先用两颗螺钉将调平架紧固在导轨底部。滑轮一端伸出工作台，方便实验，另一端通过波纹管与气源连接。在导轨支撑脚下放置脚垫，脚垫平整的一面贴在工作台上，脚垫尖头和调平螺钉置于凹槽内。3、滑轮安装在导轨前端的挡料板上，使用前应适当调整轴尖，使滑轮转动灵活，并加少许钟表油润滑。4、接通电源、导轨与气源，让空气进入导轨内腔，然后用手指贴在导轨工作面上，逐一检查气孔是否通畅。 如有气孔堵塞，可用φ0.5mm钢丝针排除堵塞物，确保各气孔通畅。为避免实验受震动影响，气源应远离实验台。
5、有些实验中，滑块需反复从同一位置开始移动，可利用起始挡板定位。6、实验中滑块滑动速度不宜过小或过大，速度在50cm/s左右为宜。螺钉0件2x轻型4M块-2钉框螺钉调平码节调整重物调平水塞端右板脚脚块支撑单垫1升降图框导轨支撑导门电动尺光标装置行程滑板弹丸桶码重物塞端轮左滑板。7. 图1 框架件桶形支撑轻码门块配重框架电动支撑轻码门电动轻扣板弹簧弹簧轮轻型弹性滑块子钩块减振码码高脚框架挂钩配重垫块垫板支撑板吊门块电动启动轻型升降板块轮码码启动滑动配重重物升降02×4M-4垫脚及垫高块弹簧01×4M-4装置射扣钩弹性吊子减振01×钩装置4代M代射扣配重6配重螺栓螺丝角6附件盒布置7、用弹射器进行弹性碰撞实验。作完全非弹性碰撞实验，将附件中的扣板分别安装在两滑块上，碰撞时，两滑块通过扣板滑动，共同移动。8、导轨、滑块工作面的直线度精度要求较高，因此在运输、安装和使用过程中，严禁磕碰、重压、冲击。 导轨在未通气前，严禁用滑块沿轨面滑动、摩擦，防止损坏工作面。9、每次实验后应用干净软布将导轨、滑块工作面擦拭干净。存放时最好将导轨垂直悬挂，不得放置在潮湿的地方或有腐蚀性气体的地方。五、实验方法1、气垫导轨是物理力学教学中师生不可缺少的实验仪器，配有上海世博实业有限公司生产的各类智能计时计数器和低噪音气泵。