实验2.12 载摆小车演示动量守恒

【演示目的】

    通过载摆小车的运动来演示动量守恒定理。

【实验装置】                        

                      图2.12.1载摆小车演示动量守恒装置

【演示原理】

演示物理摆和小车构成的系统的一维（水平方向）动量守恒。物体或物体系（质点系）在某一方向受到的合外力为零时，它在此方向上的动量将保持不变。载摆小车上摆与小车构成一体，摆偏离平衡位置在重力作用下摆动时，它们的连接点将受到力的作用。当摆球有上下方向的运动时，小车将受到向下向上的力，由于小车在水平桌面上，重力、支持力及摆的力使小车不能产生上下的运动；但在摆球向前向后运动时，小车将受到向后向前的力而前后运动。在忽略摩擦阻力和空气阻力时，整个系统在水平方向上的合力为零,满足水平方向上的动量守恒定理，则有

                         （2.12.1）

其中M和V为小车的质量和速度,m和v为小球的质量和速度。从公式中可以看出,小车的速度方向总是与小球的速度方向相反,并且小球做单摆运动时,小车做速度方向相反的往复运动,即我们在演示时看到的小车在一个位置附近做往复运动。又由于小球做单摆运动,所以小球到达最高点时速度v=0 ,根据（2.12.1）式可以求得小车的速度v=0。所以当小球到达最高点时速度为零,小车也就静止不动。

但由于存在着摩擦阻力和空气阻力，摆球摆动的速度将逐渐减小，载摆小车的来回运动也将逐渐停止，摩擦阻力和空气阻力使摆球的初始水平速度比摆回来时相反方向的速度要大一些，故其最后停止的位置较初始位置将有一个向摆球初始水平速度相反方向的移动。

【实验操作及演示现象】

    将模型置于光滑的平面上,使小车保持静止状态。把单摆拉至一定高度,然后松手让其自由下落。观察单摆摆动过程中小车的运动状态。结果可以我们总是可以看到单摆向右摆动时,小车向左运动；单摆向左摆动时,小车向右运动,但系统的质心位置不动,最终由于各种阻力的用作单摆将停止摆动,此时小车亦处于原来静止状态位置。

【注意事项】

尽量保证将演示装置放置在光滑的平面，并且周围环境稳定。

【思考题】

1.通过拓展，该演示装置可以用来研究运动状态下的哪些物理量？

2.摆球的质量大小对演示现象是否有影响？

3.若演示装置上有两个相同的单摆，将两个摆分别向前后拉至相同高度，然后松手，分析小车的运动状态？