关于牛顿摆运动衰减的研究

发布时间：2021-11-01 10:45

　　牛顿摆通常用作物理教具以演示动量和能量守恒.牛顿摆的振动会逐渐衰减,直到摆球停止.小球的材质、排列、数量以及入射速度等牛顿摆的其他性质可能影响振动的衰减的快慢.为确定各因素对牛顿摆运动状态的影响,本文建立并完善了牛顿摆的物理模型.实验中对整个振动过程录像并使用Tracker软件分析其振动衰减速率,通过讨论模型的准确性和适用性,确定了牛顿摆运动的各项特点以及影响该特点的因素. 

【文章来源】：物理教师. 2020,41(04)北大核心

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

“1球对2球”碰撞数值

牛顿摆(Newton’s Cradles)是一种十分经典的装置,通常被用做科学玩具或物理教具以演示动量和能量守恒.牛顿摆的装置结构包括一个吊架及数个金属球,金属球被细线吊起并紧密地排成一行.如图1所示,将最左侧的小球提升至一高度(保持悬线拉直)并释放,可以观察到小球撞击右侧球链时发出声音,最右侧的小球飞出,中间的其余小球有微小振动,球链些许散开.右侧小球随后返回,最左侧小球再次被击飞,如此往复,直到振动停止.实际实验中,我们还发现牛顿摆在振动一段时间后弹起角度会越来越小,速度也会逐渐变小,最后会渐渐停下,所有球一起共速做小幅的类单摆运动.这表明理想情况下的弹性碰撞模型并不能准确地表述牛顿摆的运动,我们需要建立更为合理的模型并修正原有的运动解释.

2.1 牛顿摆模型牛顿摆模型由若干分别用等长细线(重力可忽略)悬挂的一列多个完全相同的小球组成,图2所示为5球牛顿摆装置.将左端的小球提起至一定高度释放,小球将下落并撞击其右侧静止的小球,观察到的现象是左端小球在碰撞后近乎静止,而最右端的小球在碰撞后飞出,中间的小球几乎始终保持不动,如图3所示,随后右侧小球上升到低一些的高度后重新落下撞击其余小球,如此往复,直到最终所有小球静止.沿直线排列的多个小球组成一维球链,该问题的实质是球链连续撞击模型,本文将基于此模型对牛顿摆振动衰减速率进行探讨.


本文编号：3470000