多功能滑块磁力碰撞器

闫顺生

(唐山学院基础教学部 河北 唐山 063000)

目前，公知的物理动量守恒实验滑块碰撞器有两种，一种是由弹簧圈作完全弹性碰撞器，一种是由尼龙搭扣、橡皮泥或油灰作完全非弹性碰撞.但是这两种碰撞器都存在一定使用缺点，其中用弹簧圈作弹性碰撞容易变形疲劳，失去弹性，用尼龙搭扣、橡皮泥或油灰作完全非弹性碰撞粘接力差，而且还存在制作不易、使用次数少等缺点.

为了克服现有的弹性碰撞器易变形疲劳，非弹性碰撞器制作麻烦，粘接力差，碰撞效果不好而且寿命短的不足，利用磁铁同性相斥异性相吸的特性研制一种新碰撞器，具有多功能完成两种典型碰撞、结构简单和寿命长久的特点.

1 原理介绍

若系统不受外力或所受外力的矢量和为零，则系统的总动量保持不变，此即动量守恒定律.水平气垫导轨上的两个物体，由于气垫的漂浮作用，物体受到的摩擦力可忽略不计[1]，这样就非常接近理论条件，因此可利用气垫导轨来验证碰撞前后系统的总动量守恒.

设两滑块的质量分别为m1和m2，碰撞前的速度为v10和v20，碰撞后的速度为v1和v2.根据动量守恒定律，有

m1v10+m2v20=m1v1+m2v2

(1)

为验证动量是否守恒，通常实验设计两种典型的碰撞，即弹性碰撞和完全非弹性碰撞. 弹性碰撞的特点是碰撞前后系统的动量守恒，机械能也守恒，而完全非弹性碰撞是两个滑块碰撞后粘在一起共同运动，其特点是碰撞前后系统的动量守恒，而机械能不守恒.

下面具体介绍实验中两种典型的碰撞.

1.1 弹性碰撞

两滑块的相碰端装有缓冲弹簧，它们的碰撞可以看成是弹性碰撞.在碰撞过程中除了动量守恒外，它们的动能完全没有损失，也遵守机械能守恒定律，有

(2)

(1)若两个滑块质量相等，m1=m2=m，且令质量为m2的滑块碰撞前静止，即v20=0.则由式(1)、 (2)得到

v1=0v2=v10

即两个滑块将彼此交换速度.

(2)若两个滑块质量不相等，m1≠m2，仍令v20=0，则有

m1v10=m1v1+m2v2

及

可得

当m1>m2时，两滑块相碰后，二者沿相同的速度方向(与v10相同)运动；当m1

1.2 完全非弹性碰撞

将两滑块上的缓冲弹簧取去.在滑块的相碰端装上尼龙扣.相碰后尼龙扣将两滑块扣在一起，具有同一运动速度，即

v1=v2=v

仍令

v20=0

则有

m1v10=(m1+m2)v

所以

2 仪器及碰撞过程介绍

机械能守恒定律和动量守恒定律是物理学中两个重要的定律[2]，大学通常开设验证动量守恒定律的实验.仪器构造见图1和图2,动量守恒实验系统一般包含滑块1、挡光片2、固定螺母3、底座4、强力磁铁5、光电门6、气垫导轨7、数字计数器8和气泵9.两个上述滑块1放置在气垫导轨7的两端，气垫导轨7上设有两个光电门6，两个光电门6与数字计数器8连接.气垫导轨7表面设有多个气孔，气垫导轨7连接气泵9.

图1 磁力碰撞器和滑块示意图

图2 验证动量守恒整体装置示意图

气泵9将压缩空气送入气垫导轨7内腔，空气再由气垫导轨表面上的气孔喷出，在气垫导轨表面与滑块1内表面之间形成很薄的气垫层，滑块1就浮在气垫层上，与气垫导轨的轨面脱离接触，因而能在气垫导轨的轨面上做近似无阻力直线运动.两个滑块相向运动碰撞，滑块上的挡光片2经过光电门6时，速度分别被数字计时器8记录，这样就获得了碰撞前后两个滑块的动量，因此可以验证碰撞动量是否守恒. 实验装置实物图如图3所示.

图3 实验装置实物图

以下结合图3，通过实例对磁力碰撞器作进一步说明.磁力碰撞器底座为U形结构，U形结构的开口宽度与滑块宽度相匹配，底座的U形结构卡在滑块的端部，通过固定螺母和螺栓将底座与滑块固定在一起；强力磁铁设置在底座U形结构的底部外面，强力磁铁位于整个滑块的最前端；所述底座U形结构的底部外面设有卡槽，强力磁铁卡在卡槽内.

固定螺母把底座固定在滑块上，底座固定强力磁铁，强力磁铁放置在底座的卡槽中.当需要弹性碰撞时，把强力磁铁同性相对分别安装在两个相对的滑块上，两个滑块相向运动时则由于磁体同性相斥作用距离很近时弹性分开；当需要非弹性碰撞时，则把强力磁铁异性相对分别安装在两个相对的滑块上，两个滑块相向运动时则由于磁体异性相吸作用粘接在一起，完成非弹性碰撞.

所述底座为铝合金磁体底座，底座前的卡槽便于强力磁铁放置和取出，在弹性碰撞和非弹性碰撞切换时只需要切换组合两个强力磁铁的磁极，简单方便.

磁力碰撞器的有益效果是：可以多功能完成滑块弹性和非弹性两种碰撞，结构简单,使用方便而且寿命长.

3 实施效果

应用此实用新型碰撞器做了多次实验，两次弹性碰撞A和B，一次非弹性碰撞C，其中m1=m2=m；挡光片的距离d= 1 cm，数据如表1～表3所示.

表1 弹性碰撞A实验数据记录表

表2 弹性碰撞B实验数据记录表

表3 弹性碰撞C实验数据记录表

数据处理结果如表4所示.表中碰撞前动量

p0=m1v11-m2v21

碰撞后动量

p=m2v22-m1v12

动量差

Δp=p0-p

百分误差

表4 数据处理结果

4 结果分析

从实验结果来看，误差一般在10%以内，证明磁力碰撞器可以应用在验证动量守恒定律实验上；其中非弹性碰撞误差较大，接近10%，这可能是由于实验中磁铁相吸导致滑块质量分布不均，滑块漂浮受影响，摩擦力增大，效果略差，有待进一步改进.磁力碰撞器在验证动量守恒碰撞器方面提供了一个新的途径和思路.