物理仿真碰撞实验报告

大学物理仿真实验报告

实验名称

碰撞与动量守恒

班级：

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学号：

日期：

碰撞和动量守恒

实验简介

动量守恒定律和能量守恒定律在物理学中占有非常重要的地位。力学中的运动定理和守恒定律最初是冲牛顿定律导出来的，在现代物理学所研究的领域中存在很多牛顿定律不适用的情况，例如高速运动物体或微观领域中粒子的运动规律和相互作用等，但是能量守恒定律仍然有效。因此，能量守恒定律成为了比牛顿定律更为普遍适用的定律。

本实验的目的是利用气垫导轨研究一维碰撞的三种情况，验证动量守恒和能量守恒定律。定量研究动量损失和能量损失在工程技术中有重要意义。同时通过实验还可提高误差分析的能力。

实验原理

如果一个力学系统所受合外力为零或在某方向上的合外力为零，则该力学系统总动量守恒或在某方向上守恒，即

（1）

实验中用两个质量分别为m1、m2的滑块来碰撞（图4.1.2-1），若忽略气流阻力，根据动量守恒有

（2）

对于完全弹性碰撞，要求两个滑行器的碰撞面有用弹性良好的弹簧组成的缓冲器，我们可用钢圈作完全弹性碰撞器；对于完全非弹性碰撞，碰撞面可用尼龙搭扣、橡皮泥或油灰；一般非弹性碰撞用一般金属如合金、铁等，无论哪种碰撞面，必须保证是对心碰撞。

当两滑块在水平的导轨上作对心碰撞时，忽略气流阻力，且不受他任何水平方向外力的影响，因此这两个滑块组成的力学系统在水平方向动量守恒。由于滑块作一维运动，式（2）中矢量v可改成标量 ， 的方向由正负号决定，若与所选取的坐标轴方向相同则取正号，反之，则取负号。

1．完全弹性碰撞

完全弹性碰撞的标志是碰撞前后动量守恒，动能也守恒，即

（3）

（4）

由（3）、（4）两式可解得碰撞后的速度为

（5）

（6）

早在汽车制造商开始注重安全系统之前，就已经有学者在做汽车碰撞试验了。

而韦恩州立大学（Wayne State）的劳伦斯·帕特里克教授（Lawrence

Patrick）就是第一人。在20世纪30年代，他就开始做碰撞实验，收集人类在车祸中受伤情况的数据了。

那么，最佳的实验对象是什么？答案自然是人体。

通过各项技术，模型确实可以告诉我们车祸中产生的力量有多大。但你却无法知道人体各部位能承受的冲击力有多大。

试验过程越逼真，研究人员就越容易发现汽车安全隐患，并及时修正。

所以，帕特里克教授就作死地拿自己的身体，搞起了真人碰撞试验。其中包括一个重达22磅的金属摆锤撞击胸口，以及400多次的火箭雪橇*冲刺。*注：火箭雪橇也叫火箭滑车，是利用推力强大的火箭助推以达到一定速度而打造的工具，并非交通工具。

帕特里克的真人碰撞试验

然而，想要更好的数据，就必须挑战人类的耐力极限。 但我们又不可能一直将真人置于实验中，这实在太危险且有悖伦理了。于是，他想到了一个折中的方法——用死人做实验。

要知道，现在用于碰撞试验的模型假人，也是基于大量尸体试验研究得来的。所以说，没有这些尸体，也难有如今的假人。

虽然用尸体作测试对象看起来很毛骨悚然，但这些死人却救了不少活人的命。例如，尸体对安全驾驶的最早期贡献，便是挡风玻璃。

从老照片看来，司机们总是戴着风镜开车，真的不是为了装酷。早期的汽车里，有些就是不带挡风玻璃的。

因为考虑到用普通玻璃，车祸时玻璃碎片分分钟割伤乘客。所以，有人宁可戴上风镜。

不过很快，难被打碎的钢化玻璃就诞生了。

只是，人们很快就担心起了另一件事——你头再铁，也铁不过钢化玻璃。脸确实不会被划伤了，但头却可能会被撞出脑震动或颅骨骨折。

很快，研究人员就开启了一系列头撞挡风玻璃的试验。于是，在韦恩州立大学的师生就能看到这样的惊悚场景。

帕特里克教授带着手下研究生，霸占了一个废弃电梯井，不断地将尸体从高处往下扔。

第1篇

一、实验目的

本次实验旨在通过模拟实际碰撞情况，研究不同材质、不同速度、不同角度下的碰撞效果，为汽车、建筑等领域的设计提供参考依据。

二、实验原理

碰撞试验是根据牛顿运动定律，通过模拟实际碰撞情况，研究碰撞过程中的能量转化、物体变形、损伤等情况。实验过程中，通过测量碰撞前后物体的速度、角度、形状等参数，分析碰撞过程中的力学特性。

三、实验设备

1. 碰撞台：用于模拟实际碰撞情况，具有可调节角度和速度的功能。

2. 高速摄影机：用于拍摄碰撞过程中的瞬间画面，记录碰撞过程。

3. 三维扫描仪：用于测量碰撞前后物体的形状变化。

4. 传感器：用于测量碰撞过程中的加速度、冲击力等参数。

5. 数据采集与分析系统：用于采集实验数据，并进行处理和分析。

四、实验方法

1. 实验准备：选择不同材质、不同速度、不同角度的碰撞对象，准备碰撞台、高速摄影机、三维扫描仪等设备。

2. 实验步骤：

a. 设置碰撞角度：将碰撞台调整至所需角度。

b. 设置碰撞速度：调整碰撞台速度，使碰撞速度符合实验要求。

c. 进行碰撞试验：启动碰撞台，使碰撞对象进行碰撞。

d. 数据采集：利用高速摄影机、三维扫描仪、传感器等设备，采集碰撞过程中的各项参数。

e. 数据处理与分析：将采集到的数据输入数据采集与分析系统，进行整理和分析。 五、实验结果与分析

1. 不同材质碰撞效果对比

实验选取了钢、铝、塑料三种不同材质的碰撞对象，进行碰撞试验。结果表明，钢材质的碰撞效果最明显，铝材质次之，塑料材质碰撞效果最弱。这是因为钢材质具有较高的硬度和强度，铝材质较软，塑料材质更软。

2. 不同速度碰撞效果对比

实验设置了不同速度的碰撞对象，进行碰撞试验。结果表明，随着碰撞速度的增加，碰撞效果越明显。这是因为碰撞速度越高，碰撞过程中的动能越大，物体变形和损伤程度越严重。

3. 不同角度碰撞效果对比

实验设置了不同角度的碰撞对象，进行碰撞试验。结果表明，碰撞角度对碰撞效果有较大影响。当碰撞角度较小时，碰撞效果较轻；当碰撞角度较大时，碰撞效果较重。这是因为碰撞角度越小，碰撞过程中能量转化越充分，物体变形和损伤程度越严重。

物理碰撞试验报告结果分析

引言：

物理碰撞试验是科学研究中常用的一种实验手段，通过模拟真实情况下的物体碰撞过程，了解其产生的物理效应和可能引起的损坏情况。本次试验旨在通过对不同物体的碰撞实验，分析碰撞过程中涉及的物理因素和结果。

实验设计与过程：

本次实验主要包括两个部分：首先是对不同物体的碰撞实验，其次是对碰撞过程中所涉及的物理因素进行分析。

1. 碰撞实验：

使用了不同形状和材质的物体进行碰撞实验，在每次实验中只改变一个物体的参数，其他参数保持不变，以便比较不同条件下的碰撞结果。具体实验参数如下：

- 物体形状：球形、方形、圆柱形、不规则形状；

- 物体材质：金属、塑料、木材；

- 初始速度：相对速度控制在一定范围。

实验过程中，通过高速摄像机记录碰撞瞬间的图像，并使用力传感器测量碰撞冲量和碰撞时间。实验条件控制得当，确保实验结果的可靠性。

2. 碰撞因素分析：

在实验的基础上，对碰撞过程中涉及的物理因素进行分析，包括动能转化、能量守恒、碰撞时的力对物体的影响等。

结果分析：

根据实验数据和分析，我们得出以下结论：

1. 形状对碰撞影响： 不同形状的物体在碰撞时，表现出不同的碰撞效果。碰撞较规则形状的物体，碰撞力集中于某一方向，容易造成局部损坏；而碰撞较不规则形状的物体，由于力分散，整体变形程度较大。

2. 材质对碰撞影响：

不同材质的物体在碰撞时，吸收和传递能量的能力不同。金属材质相对坚固，碰撞时能量传递较少，容易发生弹性碰撞；而塑料材质在碰撞时能量传递较多，容易发生非弹性碰撞。

3. 初始速度对碰撞影响：

碰撞物体的初始速度对碰撞结果产生显著影响。相同形状和材质的物体，在不同初始速度下，碰撞效果截然不同。初始速度越大，碰撞冲量越大，物体受到的力也就越大，可能导致较严重的碰撞损坏。

4. 动能转化和能量守恒：