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XBL-1500M动量守恒定律实验仪

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XBL-1500M动量守恒定律实验仪

  本实验仪器是根据我公司发明的专利项目《一种测量位移、速度、加速度的方法及系统》(专利号:201210144157.2)所研制开发的精密数字化物理实验仪器。
  其中XBL-1500L/XBL-1500N/XBL-1500M/XBL-1500SP/XBL-1500E五种仪器主要硬件部分完全相同,只要增加少许配件及相应软件就可随意交替使用。

【仪器组成】

XBL-1500M动量守恒定律实验仪仪器组成

图1 XBL-1500M动量守恒定律实验仪

  如图1,XBL-1500M动量守恒定律实验仪由水平导轨1、线光源2、碰撞球3、碰撞球4、导轨倾斜调节器5、二维相机倾斜调节器6、线阵CCD相机7、数据采集卡、计算机、系统软件组成。

【仪器概况】

  1、导轨:采用两条工业铝型材平行放置,距离可调,直线长度为1600mm,导轨的倾斜度可调,导轨下方放置线光源。
  2、光源:采用1500毫米长的节能白色日光灯,功率:35W。
  3、 运动物体:采用两个任意球如健身铁球、健身石球等,这些球均是低成本、易采购的物品,两个运动物体在导轨上滚动并互相碰撞。
  4、数据采集:采用线阵CCD相机探测滚动球体的位置,CCD的像素为5150,像素尺寸为7微米,镜头采用50毫米定焦光学镜头,孔径范围:f/1.8-f/22。
  5、采样频率:每毫秒采样1次。
  6、位移测量精度/量程:0.3mm/1500mm。
  7、数据处理:采用C++开发的专用测量软件,在WINDOWS操作系统下运行,能以表格、图像、公式等多种方式显示、打印,有多种数字拟合方法,原始测量数据可以保存为EXCEL文件格式,方便学生自主处理。

【仪器原理】

  线光源2水平放置,线光源发出的光线由线阵CCD相机7接收并转换成电流信号,电流信号经数据采集卡转换成数字信号后送入计算机进行运算,当碰撞球3和碰撞球4在导轨上滚动时,会挡住光线,计算机可以实时计算出被挡光线的位置即碰撞球的位移及相应的时刻,对采集到的大量的位移及时间数据,采用最小二乘曲线拟合的方法计算出位移随时间变化的函数,对该函数一次求导可求出滚动球运动的速度,两次求导可求出滚动球运动的加速度,同时结合滚动球的质量还可精确地计算出一系列与运动相关的物理量如动量、动能、加速度、摩擦阻力等。
  图2为在导轨上滚动的两个球。
XBL-1500M动量守恒定律实验仪在导轨上滚动的两个球

图2 XBL-1500M动量守恒定律实验仪在导轨上滚动的两个球

【系统软件】

1、原始测量数据界面
XBL-1500M动量守恒定律实验仪原始测量数据界面

图3 XBL-1500M动量守恒定律实验仪原始测量数据界面

  图3为原始数据显示界面,其中红色线为碰撞球的位移──时间曲线,天蓝色线为被碰撞球的位移──时间曲线,从图中可以看出,碰撞后的瞬间,碰撞球的速度减少,被碰撞球的速度增加。

2、拟合数据界面
XBL-1500M动量守恒定律实验仪拟合数据界面

图4 XBL-1500M动量守恒定律实验仪原始拟合数据界面

  图4为对测试数据进行拟合后的界面,共有三个显示窗口,分别显示位移──时间曲线、速度──时间曲线、动量──时间曲线,位移──时间窗口同时显示测试数据及拟合数据(红色/天蓝色──测试数据,蓝色/黑色──拟合数据),并且以表格形式显示了两个碰撞球在碰撞前后各自的速度、加速度、动量,从图中可看出,系统动量基本保持不变。

3、数据输出界面
XBL-1500M动量守恒定律实验仪数据输出界面

图5 XBL-1500M动量守恒定律实验仪数据输出界面

  点击图5中的"保存为EXCEL文件"按钮,原始测量数据可以保存为EXCEL文件,方便同学们自主对数据进行处理。

4、打印实验报告,打印出的实验报告如图6所示。

深圳中学动力学物理实验报告

实验项目:动量守恒定律实验        实验球:球1:54.00mm/222.61g,球2:52.00mm/198.78g
指道教师:牛顿              数据拟合方法:抛物线拟合
部分实验数据(单位为米、秒)

序号
时间
球1动量
球2动量
系统动量
1
0.00000
0.15006
-0.0545
0.09552
2
0.00746
0.14999
-0.0545
0.09548
3
0.01492
0.14993
-0.0545
0.09544
4
0.02238
0.14987
-0.0545
0.09541
5
0.02984
0.14980
-0.0544
0.09537
6
0.03730
0.14974
-0.0544
0.09533
7
0.04475
0.14968
-0.0544
0.09529
8
0.05221
0.14962
-0.0544
0.09525
9
0.05967
0.14955
-0.0543
0.09521
10
0.06713
0.14949
-0.0543
0.09517
11
0.07459
0.14943
-0.0543
0.09513
12
0.08205
0.14936
-0.0543
0.09510
13
0.08951
0.14930
-0.0542
0.09506
14
0.09697
0.14924
-0.0542
0.09502
15
0.10443
0.14917
-0.0542
0.09498
16
0.11189
0.14911
-0.0542
0.09494
17
0.11934
0.14905
-0.0541
0.09490
18
0.12680
0.14898
-0.0541
0.09486
19
0.13426
0.14892
-0.0541
0.09482
20
0.14172
0.14886
-0.0541
0.09479
21
0.14918
0.14879
-0.0540
0.09475
22
0.15664
0.14873
-0.0540
0.09471
23
0.16410
-0.0340
0.12292
0.08888
24
0.17156
-0.0305
0.11849
0.08796
25
0.17902
-0.0270
0.11407
0.08704
26
0.18647
-0.0235
0.10964
0.08612
27
0.19393
-0.0200
0.10521
0.08520
28
0.20139
-0.0165
0.10079
0.08428
29
0.20886
-0.0130
0.09636
0.08336
30
0.21631
-0.0095
0.09194
0.08243
31
0.22377
-0.0060
0.08751
0.08151
32
0.23123
-0.0025
0.08308
0.08059
33
0.23869
0.00101
0.07866
0.07967
34
0.24615
0.00452
0.07423
0.07875
35
0.25361
0.00802
0.06981
0.07783
36
0.26106
0.01153
0.06538
0.07691
37
0.26852
0.01504
0.06095
0.07599
38
0.27598
0.01854
0.05653
0.07507
39
0.28344
0.02204
0.05210
0.07415
40
0.29090
0.02555
0.04768
0.07323
41
0.31754
0.03807
0.03187
0.06994
XBL-1500M动量守恒定律实验仪输出报告

日期时间:2012年10月31日 08时59分28秒
实验同学:许常森

图6 XBL-1500M动量守恒定律实验仪输出报告

 

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