牛頓擺通常用作物理教具以演示動量和能量守恒.牛頓擺的振動會逐漸衰減,直到擺球停止.小球的材質(zhì)、排列、數(shù)量以及入射速度等牛頓擺的其他性質(zhì)可能影響振動的衰減的快慢.為確定各因素對牛頓擺運(yùn)動狀態(tài)的影響,本文建立并完善了牛頓擺的物理模型.實(shí)驗(yàn)中對整個(gè)振動過程錄像并使用Tracker軟件分析其振動衰減速率,通過討論模型的準(zhǔn)確性和適用性,確定了牛頓擺運(yùn)動的各項(xiàng)特點(diǎn)以及影響該特點(diǎn)的因素. 

【文章來源】：物理教師. 2020,41(04)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

“1球?qū)?球”碰撞數(shù)值

牛頓擺(Newton’s Cradles)是一種十分經(jīng)典的裝置,通常被用做科學(xué)玩具或物理教具以演示動量和能量守恒.牛頓擺的裝置結(jié)構(gòu)包括一個(gè)吊架及數(shù)個(gè)金屬球,金屬球被細(xì)線吊起并緊密地排成一行.如圖1所示,將最左側(cè)的小球提升至一高度(保持懸線拉直)并釋放,可以觀察到小球撞擊右側(cè)球鏈時(shí)發(fā)出聲音,最右側(cè)的小球飛出,中間的其余小球有微小振動,球鏈些許散開.右側(cè)小球隨后返回,最左側(cè)小球再次被擊飛,如此往復(fù),直到振動停止.實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,我們還發(fā)現(xiàn)牛頓擺在振動一段時(shí)間后彈起角度會越來越小,速度也會逐漸變小,最后會漸漸停下,所有球一起共速做小幅的類單擺運(yùn)動.這表明理想情況下的彈性碰撞模型并不能準(zhǔn)確地表述牛頓擺的運(yùn)動,我們需要建立更為合理的模型并修正原有的運(yùn)動解釋.

2.1 牛頓擺模型牛頓擺模型由若干分別用等長細(xì)線(重力可忽略)懸掛的一列多個(gè)完全相同的小球組成,圖2所示為5球牛頓擺裝置.將左端的小球提起至一定高度釋放,小球?qū)⑾侣洳⒆矒羝溆覀?cè)靜止的小球,觀察到的現(xiàn)象是左端小球在碰撞后近乎靜止,而最右端的小球在碰撞后飛出,中間的小球幾乎始終保持不動,如圖3所示,隨后右側(cè)小球上升到低一些的高度后重新落下撞擊其余小球,如此往復(fù),直到最終所有小球靜止.沿直線排列的多個(gè)小球組成一維球鏈,該問題的實(shí)質(zhì)是球鏈連續(xù)撞擊模型,本文將基于此模型對牛頓擺振動衰減速率進(jìn)行探討.


本文編號：3470000