“公平”的牛顿摆演示

实验目的

观察牛顿摆的碰撞现象,用动量守恒和能量守恒解释摆起球数相等的规律。

实验原理

质量相同的钢球发生近似弹性碰撞,系统动量守恒:m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2',动能也近似守恒。两个等质量球弹性正碰时交换速度,所以碰后原来的球几乎停下,另一端的球以相同速度摆起。若摆起的球数与拉起的不同,动量和动能就不能同时守恒。

实验器材

• 牛顿摆装置
• 质量相同的钢球(多个)
• 悬线与支架
• 被拉起的小球(观察对象)
• 另一端被撞出的小球(观察对象)

实验步骤

1. 观察静止时各钢球并排相切、悬线等长。
2. 拉起最左侧一个球,从一定高度由静止释放。
3. 观察碰撞后右端摆起的球数和上升高度。
4. 改为同时拉起两个球释放,再观察右端的变化。
5. 再尝试拉起三个球,比较摆起球数与拉起球数。
6. 结合动量守恒和能量守恒分析现象。

实验现象与结论

拉起几个球释放,另一端就摆起几个球,摆起高度与释放高度近似相等,中间的球几乎不动。说明碰撞中动量和动能近似守恒。实际上存在能量损耗,摆动幅度会逐渐减小,最后停下。

注意事项

• 实际操作时拉起的球不要超过规定角度。
• 释放小球时手要避开摆动路径。

常见问题

牛顿摆拉起两个球,为什么另一端也摆起两个?

只有摆起两个球、速度与碰前相同时,动量和动能才能同时守恒,所以摆起的球数与拉起的相等。

牛顿摆为什么最后会停下来?

球与球碰撞有能量损失,还有空气阻力和悬线摩擦,机械能逐渐转化为内能,摆动就越来越小。