實驗題目：用氣墊導軌研究動量守恆定律
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用氣墊導軌研究動量守恆定律
序言動量守恆定律和能量守恆定律一樣，是自然界的一條普遍適用的規律。它不僅適用於巨集觀世界，同樣也適用於微觀世界。它雖然是一條力學定律，但卻比牛頓運動定律適用範圍更廣，反映的問題更深刻。
由動量守恆定律知，如果乙個系統所受的合外力為零，那麼系統內部的物體在作相互碰撞，傳遞動量的時候，雖然各個物體的動量是變化的，但系統的總動量守恆。如果系統在某個方向上所受的合外力為零，則系統在該方向上的動量守恆。
動量守恆定律在生產技術和科學實驗上毒都有著極其重要的作用。
在乙個力學系統中，如果系統所受合外力為零或在某方向上的合外力為零，則該力學系統的總動量守恆或在某方向上守恆。這就是動量守恆定律。本實驗利用氣墊導軌上兩個滑塊的碰撞來驗證一維碰撞三種情況的動量守恆定律。
圖1 氣墊導軌上兩個滑塊的碰撞
如圖1所示，在水平放置的氣墊導軌上放兩個滑塊並讓它們相互碰撞，兩滑塊之間除了碰撞時受到相互作用的內力之外，水平方向不受力的作用，因而碰撞前後的總動量保持不變。即
式中：v1，v2和v1'，v2'分別表示質量為m1和m2的兩個滑塊碰撞前後的速度。
因為完全彈性碰撞是乙個理想模型，即使在氣墊導軌上也難以實現，碰撞過程中總有一定的能量損失。所以，只在非完全彈性碰撞和完全非彈性碰撞的條件下進行實驗。
在兩滑塊的相碰端各裝上乙個彈性環，它們的碰撞過程可看作非完全彈性碰撞。
如果讓m2的初速度為零，即v2＝０，則有
在兩滑塊的相碰端上貼上尼龍搭扣或橡皮泥，這樣兩滑塊碰撞後將粘在一起以同一速度運動，從而實現了完全非彈性碰撞。如果讓m2的初速度為零，即，則有
式中ｖ為兩滑塊碰撞後連在一起運動的共同速度。
相互碰撞的兩個物體，碰撞後的相對速度與碰撞前的相對速度之比稱做恢復係數，用符號ｅ表示，即
通常可按恢復係數對碰撞進行分類：若ｅ＝０，即v2'＝v1'，就是完全非彈性碰撞；ｅ＝１，即v2'-v1'=v1-v2就是完全彈性碰撞；０＜ｅ＜１，是一般的非完全彈性碰撞。
如果讓m2的初速度為零，即v2＝０，則
二、實驗方法選擇
方法1 紙帶打點法
此方法中需通過先測量距離再計算速度，涉及多次資料處理，存在一定誤差，而且實驗過程中存在接觸摩擦，對實驗結果有較大影響。
方法2 傾斜槽小球碰撞
此方法中同樣需要先測量距離再計算速度，同樣存在小球與斜槽的接觸摩擦，從而影響實驗結果的準確性。
方法3 氣墊導軌
該方法中的氣墊導軌是利用從它表面的小孔噴出的壓縮空氣，使導軌表面與滑塊之間形成一層很薄的「氣墊」，將滑塊浮起，滑塊在導軌表面運動時，就不存在接觸摩擦力，而只有很小的空氣黏滯力和空氣阻力，滑塊的運動可近似看成是無摩擦的運動。
比較這三種方法，方法3更接近理想狀態，沒有方法1、2中存在的難以忽略的接觸摩擦阻力以及多次計算引入的資料誤差，更好地減小了實驗誤差，所得實驗結果更準確。
三、測量方法的選擇
用天平稱量滑塊的質量，用計時計數測速儀測量滑塊的速度。
四、儀器的選擇
氣墊導軌，滑塊（2塊），計時計數測速儀，天平，尼龍搭扣。
採用氣墊技術 ，使被測物體「漂浮」在氣墊導軌上，沒有接觸摩擦，只有氣墊的粘滯阻力，從而使阻力大大減小，實驗測量值接近於理論值。使用該儀器，可以直觀、定量而且精確地研究物體的許多運動定律。
計時計數測速儀與氣墊導軌配合使用，使時間的測量精度大大提高（可以精確到0.01ms），並且可以直接顯示出速度的大小。
使用天平稱量滑塊的質量，可使所得結果更準確，因為天平的最小分度值為0.05g，比一般桿秤的最小分度值為1g要小得多。
五、測量條件
實驗前要對氣墊導軌進行調節，使之處於水平狀態。
1.靜態調平法：接通氣源，滑塊置在導軌某處，用手輕輕地把滑塊壓在導軌上，再輕輕地放開，如滑塊都向同一方向運動，表明導軌不平。
仔細調節水平螺釘，直到滑塊在導軌任意位置上基本保持靜止不動，或稍有滑動，但不總是向同乙個方向滑動即可。一般要在導軌上選取幾個位置做這樣調節。
2.動態調平法：將氣墊導軌與計時計數測速儀配合進行調平，接通電源，計時計數測速儀功能選擇在「s2」檔，兩個光電門的間距不小於30cm，在導軌兩端備裝上碰撞彈簧，滑塊裝上擋光片，給氣軌通氣，讓滑塊以一定的速度從氣墊導軌的一號位向二號位運動,先後通過光電門g1和g2，計時器就分別計下了滑塊通過兩個光電門的時間△t1和△t2。
若△t1＞△t2，即滑塊通過g2的時間短，表明滑塊運動速度加快，導軌一號位高，若△t1＜△t2，表明滑塊做減速運動，導軌二號位高，細心調節水平調節螺釘，使△t1與△t2的時間差值盡量小，但由於受空氣的粘滯阻力，很難做到△t1與△t2絕對相等。只要△t1比△t2稍微大些，可視為已基本調平了。
六、測量程式
1. 組裝儀器，調節氣墊導軌；
2. 用天平測量滑塊的質量；
3. 用計時計數測速儀測量在氣墊導軌上運動的滑塊的速度；
4. 驗證動量守恆定律。
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