一种验证动量守恒定律的实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及实验室设备技术领域，具体涉及一种验证动量守恒定律的实验装置。


背景技术：

2.一个系统不受外力或所受外力之和为零，这个系统的总动量保持不变，这个结论叫做动量守恒定律。动量守恒定律是自然界最普遍、最基本的规律之一。
3.验证动量守恒定律常用的实验装置是气垫导轨和滑轨，但是气垫导轨价格昂贵，通常实验室气垫导轨的数量有限，故让学生动手验证时，无法做到每组都有，所以常用替代实验装置进行实验，替代实验装置为：小车、橡皮泥、纸带和打点计时器，步骤为：首先将a小车和b小车放置在光滑桌面上，将a小车前端粘上橡皮泥，然后将纸带穿过打点计时器后安装在a小车上，b小车静止，推动a小车撞击b小车，撞击后a小车和b小车粘合成一体共同运动，通过纸带上打点计时器打出的点，可以计算出碰撞前a小车的速度和碰撞后a、b小车共同的速度，从而计算出该系统碰撞前后的动量，即可验证动量守恒定律。
4.上述替代实验装置只能验证碰撞后a小车和b小车速度相同的情况，但碰撞后a小车可能与b小车不共速向前运动，也可能静止，还可能反向运动，该替代实验装置无法验证这些情况的系统动量是否守恒。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是为了克服现有验证动量守恒定律的实验装置价格昂贵，无法满足所有学生同时动手实验的需求，替代实验装置无法验证除碰撞后a小车和b小车速度相同以外其他情况系统动量是否守恒的问题。
6.为达到上述目的，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：
7.设计一款验证动量守恒定律的实验装置，对替代实验装置进行改良，设置两个打点计时器，分别对a小车和b小车进行测速，并且设置齿轮组件，使得a小车无论正向还是反向运动，其速度都能测得，从而解决替代实验装置无法验证除碰撞后a小车和b小车速度相同以外其他情况系统动量是否守恒的问题。具体方案如下：
8.一种验证动量守恒定律的实验装置，包括两个小车组合、滑轨组件和两个打点计时器，进一步的，所述两个小车组合均位于滑轨组件内，所述两个小车组合与两个打点计时器一一对应，并在打点计时器与小车组合之间设置纸带；所述小车组合包括至少一个改良小车；
9.所述改良小车包括车体、轮轴、内齿轮、外转轮和支撑构件；
10.所述内齿轮套设在轮轴上，其上布设有一圈棘齿；
11.所述外转轮套设在内齿轮上，外转轮与车体的车顶内壁之间通过支撑构件相连；
12.所述外转轮内壁上设有限位组件，所述限位组件用于对所述棘齿顺时针旋转的限位，通过限位组件和棘齿的配合控制外转轮相对于内齿轮同步转动或静止。
13.进一步的，所述小车组合包括两个改良小车，两个改良小车之间通过连接件一连接。
14.进一步的，所述小车组合包括一个改良小车和一个实验小车，两者之间通过连接件一连接，所述实验小车包括外壳、四个车轮和两个车轴，所述每两个车轮套设在同一个车轴的两端。
15.进一步的，所述外转轮内壁上开有多个凹槽，每个凹槽内设有一个所述限位组件，每个所述限位组件均包括木块和位于木块下方且对木块底端进行限位的卡柱，木块与凹槽通过连接件二连接。
16.进一步的，所述支撑构件包括两个支撑组件，所述两个支撑组件对称设在外转轮的左右两端，通过两个支撑组件将外转轮与改良小车连接。
17.进一步的，所述每个支撑组件均包括第一连接杆、第二连接杆和轴承，所述第一连接杆的一端固定在轴承的外环上，另一端固定在改良小车的车顶内壁上；
18.所述第二连接杆的一端固定在外转轮的端部，另一端固定在轴承的内环上。
19.进一步的，所述改良小车的车体后壳为倒凹型结构，车体顶壳设有空腔，用于放置砝码。
20.进一步的，所述改良小车还包括木板，所述木板粘贴在所述空腔外壁上。
21.进一步的，所述滑轨组件包括第一滑轨、第二滑轨和第三滑轨，所述第一滑轨与第二滑轨之间以及第二滑轨与第三滑轨之间均通过铰接件转动连接，所述第一滑轨和第二滑轨的下方均设有用于支撑的伸缩杆。
22.本实用新型的有益效果是：
23.本实用新型验证动量守恒定律的实验装置中设置了两个打点计时器，可分别测得a小车和b小车的速度，并且设置了齿轮组件，使得a小车无论正向还是反向运动，其速度都能测得，通过碰撞前a小车的速度和碰撞后a、b小车各自的速度，可以求得该系统碰撞前后的动量，即可验证系统各种情况时动量是否守恒，从而解决替代实验装置无法验证除碰撞后a小车和b小车速度相同以外其他情况系统动量是否守恒的问题。
24.本实用新型验证动量守恒定律的实验装置成本低，不仅可以使用两个改良小车组装成用于实验的小车组合，还可以将一个改良小车与一个实验室的实验小车组装成用于实验的小车组合，提高了实验室资源的利用率，解决了气垫导轨价格昂贵无法做到学生动手操作时每组都有实验装置的问题，同时节约了资源。
附图说明
25.图1为本实用新型的结构示意图；
26.图2为本实用新型中支撑构件的结构示意图；
27.图3为本实用新型中齿轮组件的结构示意图；
28.图4为本实用新型中改良小车的结构示意图；
29.图5为本实用新型中外转轮内部凹槽的结构示意图；
30.图6为本实用新型实施例中两个改良小车组成小车组合的结构示意图；
31.图7为本实用新型实施例中一个改良小车和一个实验小车组成小车组合的结构示意图；
32.图中:1.小车组合；
33.2.滑轨组件；
34.201.第一滑轨；202.第二滑轨；203.第三滑轨；204.铰接件；
35.3.打点计时器；
36.4.改良小车；
37.401.车体；402.轮轴；403.内齿轮；404.外转轮；4041.木块；4042.卡柱；4043.销轴；405.支撑构件；4051.第一连接杆；4052.第二连接杆；4053.轴承；406.木板；
38.5.伸缩杆；
39.6.实验小车；
40.7.夹子。
具体实施方式
41.本实用新型提供一种验证动量守恒定律的实验装置，包括两个小车组合1、滑轨组件2和两个打点计时器3，两个小车组合1均位于滑轨组件2内，并且两个小车组合1与两个打点计时器3一一对应，下面结合附图1-7，用本实用新型的优选实施例进一步阐述本实用新型。
42.实施例一：
43.如图1所示，本实用新型包括两个小车组合1、滑轨组件2和两个打点计时器3，滑轨组件2包括第一滑轨201、第二滑轨202和第三滑轨203，两个小车组合1分别位于第一滑轨201和第二滑轨202上，两个打点计时器3与两个小车组合1一一对应，分别位于两个小车组合1的后方。
44.小车组合1包括一个改良小车4和一个实验小车6，改良小车4通过夹子7夹在实验小车6后。改良小车4包括车体401、轮轴402、两个车轮、齿轮组件、支撑构件405和木板406，齿轮组件包括内齿轮403和外转轮404，两个车轮之间通过轮轴402连接，内齿轮403套设在轮轴402上，外转轮404与支撑构件405相连并且套设在内齿轮403上，内齿轮403和外转轮404均位于轮轴402的中间位置。实验小车6包括外壳、四个车轮和两个车轴，每两个车轮套设在同一个车轴的两端，实验小车6是实验室常见的用于做斜面实验的小车。
45.如图4所示，改良小车4的车体401为壳体结构，该壳体结构为长50mm、宽80mm、高40mm、厚2mm的无下底面中空长方体，车体401的后壳为倒凹型结构，以便纸带通过，倒凹型结构的凹进部分为长30mm、宽20mm的长方形。车体401的顶壳上设有空腔，该空腔为长25mm、宽55mm、高17mm的无上底面中空长方体，空腔前端距离车体401前端2mm，空腔上端露出车体401顶壳7mm，空腔内可放入砝码。空腔外壁粘贴有木板406，木板406的长度与空腔长度相同，宽度为4mm，高为30mm，实验时一个改良小车4的纸带粘贴在木板406上，另一个改良小车4的纸带粘贴在外转轮404上，使两改良小车4上相连的纸带具有高度差，从而实现两改良小车4在同一直线上运动的同时两改良小车4上相连的纸带互不干扰，准确的记录两改良小车4的运动情况。
46.如图3所示，内齿轮403的宽度为20mm。内齿轮403的内径等于轮轴402的直径为10mm，使得内齿轮403恰好可以套在轮轴402上，通过焊接将内齿轮403与轮轴402固定。内齿轮403的外径为18mm，并且内齿轮403的外壁上均匀分布有一圈棘齿。如图5所示，外转轮404
的内径为28mm，外转轮404的内壁上开有三个凹槽，凹槽内各设有一个木块4041，木块4041与凹槽通过销轴4043连接，通过销轴4043使木块能够在凹槽内进行转动，木块4041的下方均设有一个卡柱4042，用于对木块4041顺时针转动时进行限位。当轮轴402逆时针转动时，在轮轴402上的内齿轮403与之一起逆时针转动，内齿轮403外壁上的齿将木块4041抬起后通过木块4041，不带动外转轮404转动。当轮轴402顺时针转动时，在轮轴402上的内齿轮403与之一起顺时针转动，内齿轮403外壁上的齿将木块4041向下按压，而木块4041的下方有卡柱4042支撑，故木块4041被内齿轮403外壁上的齿和卡柱4042夹住，从而跟随内齿轮403外壁上的齿一起转动，通过木块4041的转动带动外转轮404也顺时针转动。外转轮404上粘贴有纸带，通过上述内齿轮403和外转轮404的结构，实现当小车组合1向左运动时，外转轮404不转动，纸带随小车组合1的运动而运动，当小车组合1向右运动时，外转轮404开始转动。
47.外转轮404的宽度为20mm，纸带宽度为18mm，从而使纸带能够平整的粘贴在外转轮404上。外转轮404的外径为车轮外径的两倍，为36mm。外转轮404与车轮的角速度w相同，由公式v＝wr得外转轮404与车轮的速度v正比于半径r，外转轮404与车轮运动的时间t也相同，由公式x＝vt得外转轮404与车轮的运动距离x正比于速度v，故外转轮404与车轮的运动距离x正比于半径r，外转轮404半径与车轮的半径r之比为2:1，则二者的运动距离x之比就为2:1。
48.计算小车组合1速度的原理为：纸带一端连接在外转轮404上，另一端穿过打点计时器3，连接在外转轮404上的纸带端随着小车组合1一起运动，从而不断从打点计时器3中拉扯出新的纸带，打点计时器3匀速打点，使得从打点计时器3中拉扯出的纸带上打有一系列点，通过这一系列点可以算得小车组合1的速度。
49.纸带一端连接在外转轮404上，另一端穿过打点计时器3，当小车组合1先向左运动x时，外转轮404不转动，纸带随着小车组合1一起向左运动了x，此时通过打点计时器3的纸带被拉扯出了x。当小车组合1碰撞后向右运动y时，外转轮404开始转动，因为外转轮404半径与车轮半径之比为2:1，所以二者的运动距离之比为2:1，即外转轮404运动距离为2y，此时纸带的运动可看做两部分，一部分是小车组合1向左运动时拉扯出的纸带x随着外转轮404的转动被卷起，这部分纸带的运动距离等于外转轮404的运动距离2y，另一部分是穿过打点计时器的纸带端从打点计时器中拉扯出新的纸带，二者同时发生，则可将外转轮404看做动滑轮。动滑轮在使用时位于绳子上，并且连接重物，拉扯绳子的自由端时重物移动，绳子的自由端移动距离是重物移动距离的二倍，同理，粘贴在外转轮404上的纸带端相当于绳子自由端，穿过打点计时器的纸带端由于会被不断向左拉扯从而相当于重物，则粘贴在外转轮404上的纸带端运动距离等于从打点计时器3中新扯出的纸带距离的二倍，即从打点计时器3中新扯出的纸带距离为y，恰好等于小车的运动距离y，便于后续验证过程的计算。
50.如图2所示，支撑构件405固定在改良小车4的车顶内壁上，用于支撑外转轮404。支撑构件405包括两个支撑组件，两个支撑组件分别固定在外转轮404的左右两端。每个支撑组件均包括两个第一连接杆4051、四个第二连接杆4052和轴承4053，其中，两个第一连接杆4051的一端左右对称固定在轴承4053的外环上，另一端固定在改良小车4的车顶内壁上，通过第一连接杆4051将支撑构件405与改良小车4连接。四个第二连接杆4052的一端等距固定在外转轮404的端部，另一端固定在轴承4053的内环上，通过第二连接杆4052将支撑构件405与外转轮404连接。
51.滑轨组件2为两条平行的凹槽结构轨道，改良小车4的两车轮之间距离为50mm，则两条平行凹槽结构之间的距离也为50mm，以便改良小车4滑动安装在滑轨组件2上。改良小车4的车轮宽度为3mm，凹槽的宽度为5mm，以减少改良小车4与滑轨组件2侧壁的接触，从而减少摩擦力。第一滑轨201与第二滑轨202之间、第二滑轨202与第三滑轨203之间均通过铰接件204转动连接，铰接件204为合页结构。第一滑轨201和第二滑轨202的两个轨道下方各设有一个伸缩杆5，用于支撑第一滑轨201和第二滑轨202，伸缩杆5采用公开号为cn111637123a的发明中公开的现有技术，从而实现可伸缩，可以调节各种高度，伸缩杆5的端部焊接有夹子，夹子宽度为7mm，略大于轨道宽度，使轨道可以放入夹子内，并被夹子夹住固定，从而稳定的固定在伸缩杆5上。同一滑轨下方的两个伸缩杆5位于一个底座内，方便伸缩杆5的移动。第一滑轨201、第二滑轨202和第三滑轨203的初始位置如图1所示，当第一滑轨201上的小车组合1运动至第二滑轨202上时，立即移走第一滑轨201下方的伸缩杆，使第一滑轨201的一端与地面接触，此时第二滑轨202的位置最高，第一滑轨201和第三滑轨203的一端与第二滑轨202连接，另一端与地面接触，形成两个斜面，使得两个小车组合1均沿斜面运动，从而抵消摩擦力。如图1所示，每个打点计时器3的下方均设有两个伸缩杆5，两个伸缩杆5位于同一个底座内，两个伸缩杆5的顶端焊接有板子，板子上放置打点计时器3。
52.本优选实施例一的操作过程是：
53.将改良小车4的车体前壁用夹子7夹在实验小车6的车体后壁上，组装成小车组合1，重复上述操作，再组装一辆小车组合1。将纸带一端粘贴在一个小车组合1的木板406上，另一端穿过打点计时器3后放置在第三滑轨203的顶端，将该小车组合1命名为第二小车组合1。调整支撑打点计时器3的伸缩杆5至纸带保持水平。进行平衡摩擦力操作：先打开打点计时器3再释放第二小车组合1，使第二小车组合1沿第三滑轨203滑至地面，关闭打点计时器3，观察纸带上打点计时器打出的点，调整第二滑轨202的高度，重复上述操作至纸带上的点等距分布，即第二小车组合1做匀速直线运动，此时视为该运动过程的摩擦力为零，符合动量守恒定律的条件，将该高度记做w并将支撑第二滑轨201的伸缩杆5固定在w高度，再将支撑第一滑轨201的伸缩杆5调整至2w高度，平衡摩擦力操作结束。给两个小车组合1上分别加砝码，所加砝码可以相同也可以不同，将第二小车组合1放置在第二滑轨202上，调整支撑打点计时器3的伸缩杆5至纸带保持水平。将另一辆小车组合1的外转轮404外壁上粘贴纸带，将纸带另一端穿过另一个打点计时器3，将该小车组合1命名为第一小车组合1，调整支撑该打点计时器3的伸缩杆5至w和2w之间的位置，然后将第一小车组合1放置在第一滑轨201上，调整第一小车组合1的位置至纸带保持水平，测量此时两小车组合1之间滑轨2的距离q，打开两个打点计时器3，之后释放第一小车组合1，使第一小车组合1沿第一滑轨201向下滑动，当第一小车组合1滑动至第二滑轨202上时，立即移走第一滑轨201下方的伸缩杆5，使第一滑轨201的一端与地面接触，此时第一小车组合1继续向前运动，与第二小车组合1碰撞，碰撞后第二小车组合1向前运动，第一小车组合1可能静止，也可能继续向前运动，还可能向后运动，当两辆小车组合1均移动到滑轨组件2之外时，实验结束。
54.查看第一小车组合1所连纸带，从该纸带上第一个点向后测量距离q，q为碰撞前第一小车组合1运动的路程，通过数该段纸带上的点可得碰撞前第一小车组合1运动的时间，由v＝
△
x/
△
t即可计算得第一小车组合1碰撞前的速度v1，纸带上q点到最后一个点的距离为第一小车组合1碰撞后运动的路程，通过数该段纸带上的点可得碰撞后第一小车组合1运
动的时间，由v＝
△
x/
△
t即可计算出第一小车组合1碰撞后的速度v1′
。碰撞前第二小车组合1静止，查看第二小车组合1所连纸带，纸带上第一个点到最后一个点的距离即为碰撞后第二小车组合1运动的路程，通过数该纸带上的点可得碰撞后第二小车组合1运动的时间，由v＝
△
x/
△
t即可计算出碰撞后第二小车组合1的速度v2′
。分别测量第一小车组合1的质量m1和第二小车组合1的质量m2，通过计算碰撞前系统动量p＝m1v
1+
m2v2和碰撞后系统动量p
′
＝m1v1′
+
m2v2′
即可验证动量守恒定律。
55.实施例二：
56.小车组合1包括两个改良小车4，两个改良小车4之间通过夹子连接。
57.本优选实施例二的其它部分均与实施例一所述相同。
58.本优选实施例二的操作过程是：
59.当实验室现有的实验小车6尺寸与改良小车4不符，无法将改良小车4与实验小车6连接后正常进行实验时，用两个改良小车4组装成一个小车组合1进行实验，即将一个改良小车4的车体前壁用夹子夹在另一个改良小车4车体后壁上，组装成小车组合1，重复上述操作，再组装一辆小车组合1。
60.本优选实施例二操作过程的其他部分均与实施例一操作过程相同。
61.实施例三：
62.小车组合1包括一个改良小车4。
63.本优选实施例三的其它部分均与实施例一所述相同。
64.本优选实施例三的操作过程是：
65.取两个改良小车4，将这两个改良小车4作为两个小车组合1，进行实验。
66.本优选实施例三操作过程的其他部分均与实施例一操作过程相同。
67.实施例四：
68.由动量守恒定律得：m1v
1+
m2v2＝m1v1′
+
m2v2′
，碰撞前第二小车组合1静止，即m2v2＝0则：v1′
＝(m
1-m2)v1/(m1+m2)，v2′
＝2m1v1/(m1+m2)，由上两式可得：当m1＝m2时，v1′
＝0，即碰撞后第一小车组合1静止，当m1大于m2时，v1′
大于0，即碰撞后第一小车组合1继续向前运动，m1小于m2时，v1′
小于0，即碰撞后第一小车组合向后运动，实验开始前先测量两小车组合的质量，当m1大于m2时，碰撞后第一小车组合1继续向前运动，此时将两小车组合1均放置在第三导轨203上完成验证实验的误差最小，过程如下：与实施例一相同，先进行平衡摩擦力操作，然后将第一小车组合1和第二小车组合1都置于第三导轨203上，第一小车组合1位于第二小车组合1的后方，第二小车组合1静止，释放第一小车组合1使第一小车组合1与第二小车组合1碰撞，本实例四的其他部分以及操作过程均与实施例一相同，只是将实施例一中两小车组合1的初始位置进行了调整。
69.尽管已经公开和描述了本实用新型的四个优选实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。