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自制球一棒弹性碰撞演示仪

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自制球一棒弹性碰撞演示仪　
北京农业工程大学　
教学仪器研究所　

摘薯拳文提出了用对比和演示的方法加深　转耐惯　
量”概＝套和“府动量守恒　条产卜的理解，井具体介绍了　
“球一－棒弹性碰撞演示仪　的设计思想　鲒构　制作　
和演示内容．　

问题的提出　
刚体的定轴转动（以Ｆ简称　剐体转动　）规律与质　
点运动规律完　时称，从方程的形式上可以看出　转　
动惯最　与“质量　对应．通常，转动值量，的定义正是　
惜助于选种对应关系而引人的．我们认为，仅此形式　
上的对称分析，尚不足以使学生真正理解　转动惯量　概　
念及其相关的对称规律、还需用实验直接观察，对刚　
体转动的影响，演示其相关的对称规律，强调这些规　
律的客观实质，方能从感性认识深化为理性认识，正　
确理解，的概念和相关的规律．　

二、澶示仪的设计思想　
鉴于学生已基本理解　惯性　，　动量　等概念及其　
相关的规律：而且比较熟悉两小球（Ａ、Ｂ）的对心弹性　
碰撞的结果…　（或许还在气轨上馓过碰撞实验１￣１１４１）　
即两球质量相等，碰后别互换速度．特别明显的情形　
是Ｂ球碰前处于静止状态（　Ｂ０耷０），若　＾＝，　，则碰　
后ｔ）Ａ；０，　＝　＾０；若　ｌ＾＞　，碰后剐两球同向　＾ｏ　
的方向）运动：若ｍＡ＜ｒｎａ，碰后刚Ａ球被弹回，两球　
反向运动．这些直观现象清楚地反映了碰后“机械运　
动的转移取决于物体的质量　这一重要结论．利用这　
结论，采取对比的方法，我们设计制作了类似的共　
轴转动的两博　０孰棒体系哟弹性碰撞演示仪，采用　
改变球体质量和球到转轴豹距离这样两种速径来改变转　
动惯量，演示Ｊｌ＝，２，Ｊｌ＞＾，Ｊ１＜Ｊ２三种弹性碰撞现　
象，让学生自己思考作出结论，可达事半功倍的效果．　
碰撞的刚体选取为球体和捧体，是因为其转动惯　
量的计算公式简单，且易加工　

彭隆才任永健　
李　璞　

三、结构和制作　
Ｉ．结杓由以Ｆ六个部件组装而成（如图）　

住：　转轴　＠棒体系　＠球体系　
④拉筋　＠立柱　＠台亮　
①转轴：妒ｎ的圊钢，装在立柱上用螺钉固定，轴上　
装有三套轴承．　
＠棒体系：两报等长（５００ｍｍ）平行豳棒，上端用　
螺钉连接在两个轴承套上，下端用装有弹簧圈的Ｕ形　
铝块（可滑两棒上下移动．质量可忽略）连接．采用双　
棒体系是为了实现与球体系共轴碰撞，这是角动量守　
恒所要求的条件．（单棒与刚性球体系不能实现共轴转　
动且碰撞）．棒的直径由选材和质量的大小决定．　
＠球体系：　的铝管（质量可忽略）下端用螺母连接　
钢球，上端用螺纹连接在居中的轴承套上，使球体和棒　
体的质心在同一铅直线上．　
此件取材和加工均比较容易，为了使调节（改变，　
的大小）简便，迅速，且不影响铝管的刚度，作三套　
质量为Ｍ（与双棒体质量相等，譬如取为５００克）管　
长分别为５１０．３００．２５０ｒａｍ的大球体系和两套管长为　

§ｉ矗ｊ　

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５１０ｒａｍ质量分别为　／３、　的中、小球体系，备　整体换用　＠拉筋：起平衡转体的作用．　⑤立桂：铝型材，两端管内紧塞矩形木块，以抗顶　压．　＠台夹：下部有顶压螺钉使之紧固干桌边，背倒　面的顶压螺钉可调节、固定立拄，使转轴处于水平．　２．选材与带｜作　①转体的剐性要求与连接件（铝块、管）极轻（与　棒、球相比质量可略Ｊ的要求是彼此矛盾的，若能找　刊比铝材更轻更硬的材料，剐更为理想．实际上，仅　当演示　．＝　时，为了在鞍高精密范目内使等式成立，　才必须考虑铝块、铝管对轴的转动惯量，并要求二者　相等，为此取铝块的质量约为铝管的１／３　，　＠球俸质量差别较大的要求与棒细，球小及轴承　段短的要求互幂相融．若能选取比钢密度更大、更硬的　材料或采用灌铅术制作球体，则效果更好．我们限于　条件，所用钢材均为普通的Ａ３钢，一般实验室都能　就地取材自带｜．　⑨为了尽可能减小摩撺．选购比鞍精密的轴承，　连接块外表作成光滑的准境线形．即使如此，尚不　能实现在整个转动过程中机械能守恒，但球、棒在　铅直位置时相碰的瞬间，阻力矩因其比内力矩小得多　而可略．遗瞬间的重力矩为零，基本实现角动量、机　械能守恒条件　演示的直接目标在于观寨碰后转体　是静止还是转动及转动的方向，设计仪器的这种特定　情况．在一定精度内，能达到这一目标，这是本仪器的　优点之一．　四、演隶内窖和步骤　装配前，据扛杆原理，展示各转体的质量关系　将直尺例放于立柱顶端刀刃（图上束蓟出）上，在两端　用细绳分别挂捧体系和大球体系．展示二者质量相等　｛曲面先后用中、小球体系替换，展示其质量分别约为　大球的】力、Ｉ／５　装上棒体系和大球体系，然后回忆两球对心弹性　碰擅的现象和绪论，分析即将演示的捧一球碰撞时有　关物理量的守恒条件．　１．棒与其等摆长（ｆ）的不同质量的球碰撞　演示棒体系（从接近水平位置放手让其自由转动Ｊ　与静止于铅直位置的大球体系相碰（事先可让学生猜　测其结果，激发好奇兴趣和主动思考的精神），反过来　用球碰棒傲一次　用中球体系取代大球，重复ｌ二遮步骤　这是最关　键的一项演示，务求明显看出：转动体碰后停留于铅　
直位置，原静止于铅直位置的刚体碰后转动　最后换　
小球体系，重复ｊ：述步骤将所现寨到的现象（转动方　
向，以角速度ｔ＇Ｏ的ｉＥ负表示）列表，让学生分析其原因．　
设捧为刚体ｌ，碰前角速度方向为正（１￣１１∞．　＞０），　
球为刚体２，碰前∞２ｎ＝Ｏ，反之则球（Ｏ）２（Ｉ＞０）碰棒　
ｌ０＝Ｏ）　
棒体的质量／　Ｍ，　Ⅲ２　Ｍ，　Ｍ，　．Ｍ　
转动惯量Ｊｌ　
球体的质量／　Ｍ／ＭＩ２　｝　旦，　
转动惯量止　５　５　

棒、ｒＣｔ．￣动惯　ＪＩ＜止　Ｊｉ＝
１２　，Ｉ１）Ｊ　２　

的关系　

棒一球碰后的　
角速度　＜０　＞０　山１＝０、∞２　山１０　＞￣０１＞０　

球一棒碰后的　
叫ｌ＞山２＞０　∞２＝０，ＯＪ１　∞∞　＜０，　＞０　
角速度　

表中　≈　关系，必须定量测试方能确立．若配备　
多点计时仪测速，可定量验ｉｉＥ角动量守恒．　
２．棒与其质量相等、摆长不同的球体碰撞　
依次更换球体系，调节ｕ形块的位置，使其弹簧　
正好与球对心相碰．先后做棒与摆长（用尺展示）为　
２８９、２４０ｍｍ的大球体系相碰，每次均反过来以球碰棒敝　
度．　
连同演示１的第一项结果，类似上表列出三种摆　

长球与棒体碰后的转动方向，０　ｆ导学生得出正确结论．　

五、结束语　
通过演示可直观地显示转动惯量的决定因素眨其　
对Ｈ０俸转动的影响，间接体现角动量，转动动能．并　
验证其守恒定律．从而运渐明确这些概念井正确理解　
其相关的规律．仪器取材一般、制作简单、便于自制：　
操作简便，现象明显，结论直观，利于学生独立思考、生　
动话泼地学习．有条件的学技可多制几套作为。走廊　
实验　供学生课外自己动手傲定性实验．　

参考文献　
【１】程守蚌、江之永，《普通物理学》（第一册）．＾民教育　
出版杜、１９７８（第三版），第１６０至１６２页　
【２】Ｒ瑞斯尼克、Ｄ．哈里德著（郑永夸等译）Ｉ《物理学》　
（第一卷第二册）Ｉ科学出版社、１９７９，第２７３至２＂／４页．　
【　Ｈ：Ｆ．迈纳斯等著（恽瑛等译），《普通物理吏验》，科学出　
腹社，１９８７，第１４３页．　
ｆ　４１张文之等，《大学物理实验》．上海科学技术文献出版社　
１９８９，第４２页　

３１　

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大学物理演示实验报告

大学物理演示实验报告

实验一锥体上滚【实验目的】：1．通过观察与思考双锥体沿斜面轨道上滚的现象，使学生加深了解在重力场中物体总是以降低重心，趋于稳定的运动规律。

2．说明物体具有从势能高的位置向势能低的位置运动的趋势，同时说明物体势能和动能的相互转换。

【实验仪器】：锥体上滚演示仪图1，锥体上滚演示仪【实验原理】：能量最低原理指出：物体或系统的能量总是自然趋向最低状态。

本实验中在低端的两根导轨间距小，锥体停在此处重心被抬高了；相反，在高端两根导轨较为分开，锥体在此处下陷，重心实际上降低了。

实验现象仍然符合能量最低原理。

【实验步骤】：1．将双锥体置于导轨的高端，双锥体并不下滚；2．将双锥体置于导轨的低端，松手后双锥体向高端滚去；3．重复第2步操作，仔细观察双锥体上滚的情况。

【注意事项】：1．移动锥体时要轻拿轻放，切勿将锥体掉落在地上。

2．锥体启动时位置要正，防止它滚动时摔下来造成变形或损坏。

实验二陀螺进动【实验目的】：演示旋转刚体（车轮）在外力矩作用下的进动。

【实验仪器】：陀螺进动仪图2陀螺进动仪【实验原理】：陀螺转动起来具有角动量L,当其倾斜时受到一个垂直纸面向里的重力矩(r ×mg)作用,根据角动量原理, 其方向也垂直纸面向里。

下一时刻的角动量L+△L向斜后方,陀螺将不会倒下,而是作进动。

【实验步骤】：用力使陀螺快速转动，将其倾斜放在支架上，放手后陀螺不仅绕其自转轴转动，而且自转轴还会绕支架旋转。

这就是进动现象。

【注意事项】：注意保护陀螺，快要停止转动时用手接住,以免掉到地上摔坏。

实验三弹性碰撞仪【实验目的】：1. 演示等质量球的弹性碰撞过程，加深对动量原理的理解。

2. 演示弹性碰撞时能量的最大传递。

3. 使学生对弹性碰撞过程中的动量、能量变化过程有更清晰的理解。

【实验仪器】：弹性碰撞仪图3，弹性碰撞仪【实验原理】：由动量守恒和能量守恒原理可知：在理想情况下，完全弹性碰撞的物理过程满足动量守恒和能量守恒。

当两个等质量刚性球弹性正碰时，它们将交换速度。

有趣的碰碰球

有趣的碰碰球


小
20cm
温馨提示
1.实验时玻璃球正对纸杯中心。 2.实验时注意不要让玻璃球掉到地上， 以免损坏。 3.反复尝试，注意观察。 4.注意分工合作，记录员填写实验记录 单。
让相同大小的玻璃球从 不同高度落下，你发现了 什么?
小球被举得越高，具 有的势能越大，转化成 的动能就越大。
让不同大小的玻璃球从 相同高度落下，你发现了 什么?
牛顿摆是由法国物理学家伊丹·马略特最 早于1676年提出的。是一个19世纪60年代 发明的桌面演示装置，五个质量相同的球体 由吊绳固定，彼此紧密排列怎么样?
拉起两个、三个 球去碰撞呢?
小组交流，制定实验方案。
温馨提示
1.轻轻拉起小球，要让细线绷直， 然后再松开手。
物体的质量越大，具 有的势能越大，转化成 的动能就越大。
滚摆为什么会上下不停地滚动？
初始态：滚摆动能为 零 ，具有 势能 。 最高点：滚摆 势能 最大， 动能 最小。 最低点：滚摆 动能 最大， 势能 最小。 滚摆在运动过程中： 动能 和 势能 互相转换时，机械 能总量 不变。
生活中动能和势能转换的现象
2.撞击时要正对小球撞击。 3.分工合作，仔细观察球的变化。 4.操作过程中思考一下思维导航 的问题。
小球的能量是从哪里来的?
1.拉起的小球有什 么能量？松开手后， 能量有什么变化？
2.被撞出的小球运 动的能量来自哪里?
拉起的小球有什么 能量？松开手后，能 量有什么变化？
拉起的小球具有重 力势能，松开手后重 力势能转换为动能。
被撞出的小球运动 的能量来自哪里？
被撞出的小球运动 的能量来自于第一个 小球的能量转移。
小球由于被举高而具有势能，由于 运动而具有动能。动能和势能可以相互 转换。动能和势能统称为机械能。
傅科摆实验报告doc

傅科摆实验报告doc

傅科摆实验报告篇一：傅科摆实验报告班级：电气112学号：28 姓名：杨雪飞大物演示实验报告项目名称：傅科摆演示实验实验目的：通过傅科摆演示，观察和理解地球的自转规律。

加深对科氏奥利力的理解。

简单操作：1、将单摆拉开一定角度（不要超过底盘限定的范围），使其在竖直平面内摆动。

2、调节底盘上的定标尺，使其方向与单摆的摆动方向一致。

实验现象：经过一段时间（大约1-2小时），单摆的摆动面与定标尺方向的夹角发生变化（大约10——20度）。

原理分析：地球自西向东旋转，其角速度ω的方向沿地轴指向北极（ζ轴）。

处于北半球某点的运动物体速度为υ，那么该物体所受的科氏奥利力的表达式为：f=2mv×ω.科氏奥利力f的方向垂直于一个平面，这个平面是由υ和?的方向所组成的平面，所以f垂直于υ，使υ发生偏转。

傅科摆的演示直接证明了地球自西向东的自转。

在地球的两级，傅科摆的摆动平面24小时转一圈，而在赤道上，傅科摆没有方向旋转的现象；在两极与赤道之间的区域，傅科摆方向的旋转速度介于两者之间。

傅科摆在地球的不同地点旋转的速度不同，说明了地球表面不同地点的线速度不同，因此，傅科摆可以用来确定摆所处的纬度。

实验拓展：1851年,法国著名物理学家傅科(foucaultjeanbernarleon)为验证地球自转进行了一系列壮观的实验,所用的实验装置被后人称为傅科摆.这也是人类第一次用来验证地球自转的实验装置.该装置可以显示由于地球自转而产生科氏奥利(coriolis)力的作用效应,也就是傅科摆振动平面绕铅垂线发生偏转的现象,即傅科效应。

实际上这等同于观察者观察到地球在摆下的自转。

傅科摆的摆锤直径0.30m,摆锤质量28kg,摆线长达67m,对于这样的庞然大物,一般的大学实验室根本无法容纳得下,更不用说在课堂上当堂演示。

因地球自转角速度极小(ω≈10-5/s),故傅科摆振动平面偏转周期t≥105s.为了达到既能模拟傅科摆在地球自转影响下产生的傅科效应,同时又可大大缩短演示时间的双重目的,可以设计一匀角速转动的转盘来模拟地球的自转，然后考虑用置于该非惯性系中单摆的微小振动来近似傅科摆在地球的南、北两极点的运动。

学生分组实验1

学生分组实验1

实验滚摆演示目的1．通过滚摆的滚动运动演示机械能守恒；2．演示滚摆的平动转动动能之和与重力势能之间的转化。

实验原理滚摆滚动下落的重力势能变为滚摆饶过质心的轴转动的动能和质心平动的动能。

机械能守恒定律告诉我们滚摆的重力势能与滚摆的动能之和保持不变。

操作说明1．将滚摆轴保持水平，均匀使悬线绕在轴上，待滚摆到达一定高度，使轮在挂绳悬点的正下方，放手使其平稳下落；2．在重力作用下，重力势能转化为轮的转动动能。

轮下降到最低点,轮的转速最大，转动动能最大，然后又反向卷绕挂绳，转动动能转化为重力势能,轮的转速减小，位置升高。

如此可多次重复。

注意事项：切勿使滚摆左右摆动或扭转摆动。

实验拓展1，试分析滚摆下落速度（平动）与位置高度的关系。

2，试分析滚摆上下平动运动的周期与轴径的关系。

3，试分析滚摆上下平动运动的周期与滚摆质量的关系。

4，试分析滚摆上下平动运动的周期与滚摆转动惯量的关系实验静电滚筒演示目的本实验是演示尖端放电而产生的力学效应实验原理本实验是演示尖端放电而产生的力学效应。

可绕中轴转动的绝缘塑料筒（矿泉水瓶），表面粘有一些横条形导体箔，作为演示滚筒，滚筒两边与滚筒中轴平行安置放电电极杆，在杆上设置若干垂直于电极杆但指向滚筒切线方向的尖针作为放电的尖端。

当两个电极杆之间加上高电压时，放电将通过电极杆、尖针和筒上横条，在滚筒附近发生，尖针放电所产生的带电粒子冲击滚筒而产生力矩使滚筒转动。

操作说明1．将静电高压电源输出端接到两个电极杆上，将接地线接触地板；2．开启高压电源，调节高压输出电压V（15~20KV），两电极杆分别带上正、负电荷后, 绝缘塑料筒在静电尖端放电形成电风的作用下转动；3．断电后，绝缘塑料筒也将随之停止转动。

实验锥体上滚演示目的1．通过观察与思考双锥体沿斜面轨道上滚的现象，加深了解在重力场中，物体总是以降低重心、趋于稳定的规律。

2．说明物体具有从势能高的位置向势能低的位置运动的趋势，同时说明物体势能和动能的相互转换。