牛顿摆实验

实验目的

观察多球连续碰撞的现象，用动量守恒和机械能守恒解释牛顿摆的运动。

实验原理

质量相同的钢球发生弹性正碰，近似满足动量守恒和机械能守恒，碰撞时两球交换速度，动量和动能便从一端依次传到另一端。拉起 n 个球释放，另一端弹起 n 个球且速度与之相同，动量和动能才能同时守恒。实际中有空气阻力和碰撞损耗，摆动会逐渐减弱。

实验器材

• 多个相同的钢球
• 等长悬线
• 支架
• 拉起球的个数
• 拉起的高度

实验步骤

1. 观察静止时各球刚好相互接触，排成一排
2. 拉起最左端的一个球，到一定高度后释放
3. 观察碰撞后哪一端的球弹起，弹起几个、多高
4. 改为同时拉起两个（或三个）球释放，再次观察
5. 持续观察，注意摆动幅度随时间的变化

实验现象与结论

拉起一个球，另一端弹起一个球，中间的球几乎不动；拉起两个球，另一端弹起两个球，高度接近。这说明碰撞中动量和动能近似守恒。摆动幅度逐渐减小，是因为存在空气阻力和能量损耗。

常见问题

拉起两个球，为什么只弹起两个球？

只有弹起两个速度相同的球，才能同时满足动量守恒和动能守恒；弹起一个更快的球不满足能量守恒。

牛顿摆最后为什么会停下来？

球与球碰撞有能量损耗，还受空气阻力和悬线摩擦，机械能逐渐转化为内能。