宅家实验---弹性球的非弹性碰撞的研究

实验5弹性球的非弹性碰撞的研究【实验目的】1、将智能手机的内置传感器和视频功能与搭载的Phyphox软件相结合，利用其中的“（In）elasticcollision（非）弹性碰撞测量”功能，通过自主设计实验，研究弹性球与地面的碰撞过程中能量损失的特点及决定因素；2、熟练掌握数据处理的列表法及数据处理软件。【实验原理】小球自由下落撞击地面会由于发生非弹性碰撞而不断被弹离地面，直到小球的能量由于消耗慢慢变为零，最终不再弹起．如果保持小球在弹跳的过程中尽量处于竖直方向，与水平面垂直，那么小球每一次弹起又落下的过程可以等效为一次竖直上抛运动。由于竖直上抛运动具有对称性，即：从地面升到最高点和从最高点落回地面的时间是一样的，所以，可以把竖直上抛运动的下落过程等效为自由落体运动。hgt212测量获得小球与地面每两次碰撞的时间间隔为t1，t2，t3，……，由此获得物体高度如下，碰撞过程如图1所示：thgthgthg211222233122122122图1篮球与地面碰撞示意图打开Phyphox中的“（In）elasticcollision（非）弹性碰撞测量）”功能的采集“高度测量”模块，按下界面最上方的开始键，然后手松开小球使小球自由下落，Phyphox即开始记录并生成数据，这个模块可以自动记录小球相邻两次碰撞接触面声音的时间间隔，也就是每次小球弹起的时间间隔，并根据系统内置的重力加速度默认值推算出小球释放及每次落地后弹起的高度，分别为高度h1、高度h2……,时间间隔分别为时间t1，时间t2……。如下页图2所示。图2测得每次弹起的高度，计算获得每次小球与地面(或桌面)碰撞后的能量损失为：mgttEmghmghmgttEmghmghmgttEmghmgh222121122222322322234334888我们定义η为第n次碰撞前后的能量损耗率，则:【实验器材】1、弹性球：如乒乓球，弹簧球，篮球或其它可以居家找到的弹性球。2、手机：1台搭载有Phyphox软件。3、刻度尺。4、胶带等。【实验步骤】1、打开手机Phyphox，选择“(In)elasticcollision(非)弹性碰撞测量）”，点击开始按钮。2、将弹性球举起一定高度，通过刻度尺测量其初始高度h'0，手机放在地面(或桌面)距离弹性球下落点不远的地方(篮球在20cm以内，乒乓球或弹簧球在10cm以内)，注意不要让下落球体砸到手机。可将刻度尺(皮尺)通过胶带固定在墙上，或者其他笔直的物体上作为高度的参考；也可以用胶带在不同的高度上贴上一个参照物，通过参照物与地面的距离，获得弹性球下落的高度。在球体不碰到手机的前提下让下落点与手机的距离尽可能距离短，原因在于手机测量高低是通过手机录音功能记录相邻碰撞之间的时间差，为减少误差，应减小下落点与手机的距离。3、松开弹性球，让球体自由下落，测量球体每次落地后弹起的高度，软件记录的高度有：h0、h1……、h5,共6组高度数据，记录在表1中，数据可通过phyphox软件中的高度测试模块获得。4、将小球放在同一高度h'0处，再重复5次取平均值，记录在表1中，并计算不确定度。5、将小球前４次弹跳的能量损失记录在表2中，数据可通过phyphox软件中的能量测试模块获得。6、改变下落高度，每个20cm进行一次实验，进行5次实验，将前4次弹跳碰撞之后的平均能量损失(百分比)记录在表3中。7、以小球释放高度为横坐标，平均能量损失为纵坐标，将小球不同释放高度的平均能量损失数据(表3)分别进行拟合，根据点的分布趋势，选择“线性拟合”绘图，获得弹跳过程平均能量损耗与小球释放高度的关系。高度次数h0h1h2h3h4h5123456平均值【数据记录】下落高度h'0=表1Phyphox数据记录高度次数第一次%第二次%第三次%第四次%平均能量损失%123456平均值表2小球在高度为h'0释放时，前4次的能量损失能量损失%高度(cm)第一次%第二次%第三次%第四次%平均能量损失%20406080100表3小球在不同高度释放时的能量损失注意：表中的高度数据可根据自己的实验自行调节。【数据处理】1、计算高度的不确定度。2、根据表三的数据获得弹跳过程平均能量损耗与小球释放高度的关系，并通过Origin或Excel作图。【思考题】1.小球下落高度和平均能量损失满足什么样的关系？2.如果小球尺寸发生变化，相同高度下其能量损失如何变化？3.如果手头既有乒乓球又有弹力球，试讨论二者能量损失率的异同，分析空气阻力对二者的影响。小球种类第一次%第二次%第三次%第四次%平均能量损失%乒乓球23.919.418.216.619.5小弹球19.319.619.218.319.1大弹球30.227.928.228.728.8附录３种小球释放高度为60cm时前４次弹跳的能量损失能量损失%高度(cm)乒乓球小弹球大弹球2014.617.627.54017.119.328.46019.519.128.88020.619.630.310022.420.931.73种小球不同高度释放时的平均能量损失在喻漫雪,周海忠的实验中，３个小球的数据：一个直径４cm的乒乓球、一个直径４cm的弹球和一个直径８cm的弹球，其中大小弹球的材质一样。