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冰块碰撞实验,违反角动量守恒定律。
[楼主] 作者:新能源新科技3  发表时间:2014/03/24 13:25
点击:348次

 

冰块碰撞实验,违反角动量守恒定律。

作者 马天平(地址 新郑市)

(2014-03-23)

 

实验名称:冰块碰撞实验,违反角动量守恒定律。

作者  马天平 (地址 新郑市)

 

(一)实验目的:验证系统的角动量不守恒、角动量守恒定律存在例外。

(二)实验日期(2014年3月23日)

(三)实验原理:角动量守恒定律。

(四)、实验背景和实验原因分析:

传统理论认为,内力矩不影响系统的角动量。

 

但是,当同方向自转的两个圆柱体(其中一个圆柱体的角速度可以为零),在光滑平面上发生碰撞,使圆柱体之间的力,分别产生方向相反的角动量(的增量),就会使系统的角动量方向改变。

因此认为角动量守恒定律将存在例外。

 

(五)、实验材料:

使用一次性纸杯(中间插一根大约15cm的细木棒)制作的圆柱体冰块,数量为两块。

由于冰块的摩擦力小,因此,其中的细木棒作为冰块的齿,在碰撞时容易耦合产生扭力。

其中的细木棒是边长1m的正方形木条。

其中的两块圆柱体冰块,高度基本相同、质量基本相同。

 

(六)、几次碰撞实验的实验步骤和现象:

实验1(和相似实验):

1、把两块带细木棒的冰块放在比较光滑的平台上,使用双手拨动一冰块上的细木棒两端,使该冰块顺时针自转。

2、然后,使用小(起子的)木柄打击另一块静止冰块的细木棒的一端,使静止冰块具有初速度、产生平动,能够撞击顺时针自转的冰块。

由于这样的撞击(速度比较小),使顺时针自转的木棒,能够打击到平动的木棒,使两圆柱体的冰块受到木棒传递的扭力。

 

:现象1,木棒之间发生碰撞,产生力和力矩,使平动的木棒(和冰块)逆时针自转、顺时针自转的冰块立刻(或者角速度迅速减小而很快)静止。

 

现象2、木棒之间发生碰撞,相互产生力和力矩,使平动的木棒(和冰块)逆时针自转、顺时针自转的冰块角速度减小,分别持续自转几秒钟后,先后静止。

 

实验2

把两块带细木棒的冰块放在比较光滑的平台上,使用双手拨动一冰块上的细木棒两端,使该冰块顺时针自转,并且该冰块发生平动,靠近静止的冰块,发生碰撞。

   结果,

顺时针自转的木棒,打击静止的木棒,使静止的木棒逆时针自转、顺时针自转木棒的角速度减小而首先静止。

 

(七)、部分实验截图:

实验1。

 

图01-09,是一次碰撞实验。(截图来源于实验视频2014-03-23 10 49 58.wmv )。

其中,

图01、冰块碰撞-预备。

图02、冰块碰撞-拨动木棒产生顺时针自转

图03、冰块碰撞-木柄打击静止的木棒产生平动

图04、冰块碰撞-顺时针自转的木棒,打击平动的木棒

图05、冰块碰撞-顺时针自转的木棒立刻静止,平动的木棒逆时针自转

 

图06、冰块碰撞-顺时针自转的木棒完全静止,平动的木棒逆时针自转

图07、冰块碰撞-顺时针自转的木棒静止,平动的木棒继续逆时针自转

图08、冰块碰撞-顺时针自转的木棒静止,平动的木棒逆时针自转减速

图09、冰块碰撞-顺时针自转的木棒静止,平动木棒的逆时针自转停止。

上述木棒的运动状态,就是圆柱体冰块的运动状态。

 

实验2。

 

图10-19,是一次碰撞实验。(截图来源于实验视频2014-03-23 10 53 05.wmv )。

其中一个静止冰块顺时针自转并且平动,然后撞击静止的冰块(木棒)。

 

图10、冰块碰撞2-预备、

图11、冰块碰撞2-拨动木棒产生顺时针自转

图12、冰块碰撞2-顺时针自转的冰块靠近静止的冰块

图13、冰块碰撞2--顺时针自转的木棒,打击静止的木棒

图14、冰块碰撞2-静止的木棒逆时针自转、顺时针自转木棒的角速度减小

图15、冰块碰撞2-顺时针自转木棒静止,逆时针自转的木棒减速、仍然在逆时针自转。

图16、冰块碰撞2-顺时针自转木棒静止,逆时针自转的木棒减速、仍然在逆时针自转。

图17、冰块碰撞2-顺时针自转木棒静止,逆时针自转的木棒减速、仍然在逆时针自转。

图18、冰块碰撞2-顺时针自转木棒静止,逆时针自转的木棒静止

上述木棒的运动状态,就是圆柱体冰块的运动状态。

 

(八)、讨论:

1、

在人为的拨动木棒产生顺时针自转、使静止冰块具有初速度、产生平动以后,系统就没有合外力矩了。

 

实验1中的系统初始状态:

两个圆柱体冰块,其中平动的圆柱体相对系统的角速度为零、顺时针自转的圆柱体具有角动量。

实验结果:

顺时针自转的圆柱体静止,角动量为零,平动的圆柱体却仍然在逆时针自转。

 

因此,两个圆柱体碰撞的前后,系统角动量相反。

所以,在没有合外力矩的情况下,碰撞前后系统的角动量不守恒,违反角动量守恒定律。

 

2、

在人为的拨动木棒产生顺时针自转、产生平动以后,系统就没有合外力矩了。

 

实验2中的系统初始状态:

两个圆柱体冰块,其中,顺时针自转的圆柱体具有角动量。

实验结果:

顺时针自转的圆柱体静止,角动量为零,平动的圆柱体却仍然在逆时针自转。

 

因此,两个圆柱体碰撞的前后,系统角动量相反。

所以,在没有合外力矩的情况下,碰撞前后系统的角动量不守恒,违反角动量守恒定律。

 

(九)、结论:

光滑平面中静止与自转的(圆柱体)冰块之间的碰撞实验,碰撞的前后,系统角动量相反,违反角动量守恒定律。

角动量守恒定律存在例外。

 

(参考:笔者2014-03-16的文章"线圈磁石的弹射实验,验证角动量不守恒。"。)

本帖地址:http://club.xilu.com/hongbin/msgview-950451-323968.html[复制地址]
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[楼主]  [2楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/24 13:49 

角动量守恒定律存在例外。

[楼主]  [3楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/25 06:40 

.
[楼主]  [4楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/26 07:42 

没有反对、没有支持吗?
[楼主]  [5楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/26 11:39 

[楼主]  [6楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/26 11:39 

“冰块碰撞实验,违反角动量守恒定律。”的数学规律。
原创作者 马天平(地址 新郑市)
(2014-03-26)


根据2014-03-23的文章“冰块碰撞实验,违反角动量守恒定律。”,发现系统的角动量大小不变、方向改变。
因此,自由转动刚体之间完全弹性碰撞,与两个非自由转动刚体之间的完全弹性碰撞,系统角动量的变化规律不同。

1、根据2014-03-23的实验文章“冰块碰撞实验,违反角动量守恒定律。”,两个半径相同、质量相同的自由转动刚体(对心)完全弹性碰撞,其中一个圆柱体冰块具有初始角动量,碰撞后,具有初始角动量的冰块静止,初始角动量为零的圆柱体冰块获得角动量而反向自转。
因此可以认为,两个半径相同、质量相同的自由转动刚体(对心)完全弹性碰撞,置换角动量、角动量方向改变。

设其中初始角动量为零的冰块,碰撞后角动量为L2’,初始角动量不为零冰块的初始角动量为L1,系统的初始角动量为L初,系统的末角动量为L末。
那么,
L2’= - L1
L末 = - L初

2、自由转动刚体(对心)完全弹性碰撞的角动量转换规律:
两个自由转动刚体之间的完全弹性碰撞,碰撞前后,各个转动刚体的角动量增量相等,系统的角动量不守恒。
△L1 = △L2
L1’ – L1 = L2’-L2
L1 - L 2 = L1’ –L2’
L初 ≠ L末

自由转动刚体(对心)完全弹性碰撞,系统的末角动量(L末),不等于系统的初始角动量(L初),L初 ≠ L末,系统的角动量不守恒。

3、非自由转动刚体(比如定轴)完全弹性碰撞的角动量转换规律:
两个非自由转动刚体之间的完全弹性碰撞,碰撞前后,各个转动刚体的角动量增量大小相等、方向相反,系统的角动量守恒。
△L1 = -△L2
L1’ – L1 = -(L2’-L2) = -L2’+ L2
L1 +L2 = L1’+L2’
L初 = L末

非自由转动刚体(比如定轴)完全弹性碰撞,系统的末角动量,等于系统的初始角动量。
L初 = L末,系统的角动量守恒。
[楼主]  [7楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/27 06:41 

.
[楼主]  [8楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/27 10:20 

是否值得各位版主参与呢?
[楼主]  [9楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/28 07:18 
[楼主]  [10楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/28 21:12 

奇怪了,今天看到9楼不知道谁删除的、内容现在想不起来了。
[楼主]  [11楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/29 10:21 

弹射实验,验证角动量不守恒。
http://tieba.baidu.com/p/2930318097
http://tieba.baidu.com/p/2930318097
[楼主]  [12楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/29 11:01 

[楼主]  [13楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/29 11:01 

 [14楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/03/29 14:10 

是我删除的。你的[9楼]只有一个“.”,请不要使用非语言顶贴。
[楼主]  [15楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/29 15:12 

对【14楼】说:
明白了,以后避免。
另外,541218认为1楼文章是【荒谬的荒唐可笑 谁参与讨论 谁都会感到无地自容】,不知道你是怎样看的?
 [16楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/03/29 15:26 

我认为,541218说得虽然有点让你不喜欢听,但还是有道理的。
你实验中忽视掉的东西你看不到,这就是你错误的所在。基本力学分析是基础,这一块你还真的不足。
你不妨做个力学分析看看,看你疏忽掉了什么。
[楼主]  [17楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/29 15:35 

参考13楼示意图、参考1楼。
1、请指出哪里疏忽掉了。

2、碰撞发生时没有外力力矩、结果系统角动量方向改变。难道你能找出来碰撞发生时的外力力矩?
[楼主]  [18楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/29 15:44 

根据冰块碰撞实验,
自由的圆柱体(齿轮)之间的撞击,碰撞发生时没有外力力矩、结果,角动量被置换、方向改变,使系统角动量不守恒。

 [19楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/03/29 16:00 

我要告诉你的是:碰撞前,如[13楼]图上部,m1和m2的质心在同一水平线上无运动。两齿碰撞后,两物体质心决不会还在同一直线上。m1的质心会有向上的速度,m2的质心会有向下的速度。m1和m2的共同质心在两质心连线中点上,这个点是m1m2的轴。此后不管它们相互走多远,也就是它们到共同质心的距离r如何变,它们的速度和半径的叉积再加上各自自身转动的角动量之矢量和始终和碰撞前相同。
[楼主]  [20楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/29 16:32 

【在同一水平线上无运动。两齿碰撞后,两物体质心决不会还在同一直线上。m1的质心会有向上的速度,m2的质心会有向下的速度。】
初始m1在顺时针自转。
按照19楼,碰撞后两个圆柱体绕共同中心轴顺时针自转。实验中被撞击的冰块有向下一点点位移、大小大约是冰块二分之一半径(说明m2绕共同中心轴顺时针自转的角速度非常微小)。
根据图片05,可以看到,被撞击的冰块的自转角速度非常大、撞击者角速度已经为零。

因此,碰撞后两个圆柱体绕共同中心轴顺时针自转的角速度微小,不能抵消m2的逆时针自转角速度,使系统角动量不守恒。
[楼主]  [21楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/29 17:19 

参考图片5,被撞击的冰块逆时针自转角速度非常大、撞击者已经静止。
根据图片5,被撞击的冰块逆时针自转的角速度非常大,稍微小于初始顺时针自转冰块撞击前的角速度的大小。因此,被撞击冰块逆时针自转的角动量大小,接近撞击前系统角动量的大小。

参考图片05-09,初始自转的冰块撞击后向上移动了一点点(冰块的二分之一半径),被撞击的冰块向下移动了一点点(冰块的二分之一半径),说明被撞击的冰块绕系统质心的角速度非常微小,说明两个圆柱体绕系统质心顺时针的角动量大小比较小。

因此,两个圆柱体绕系统质心顺时针的角动量,与被撞击冰块逆时针自转的角动量的和,不等于碰撞前系统角动量。
 [22楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/03/29 17:25 

碰撞前只有一个转动,碰撞后出现了三个转动。一个变三个:m2的自转、m1、m2各自和共同质心形成的角动量。尤其是后两者,它们的转动惯量很大,比单独的圆柱体大很多很多。本来每个分得就小。而分到转动惯量大的圆柱体上得到的速度显然就是十分小的,你能看到一个向上一个向下就已经足够了。我告诉你,你把一个轴放在圆柱体外面(这里是共同质心)和把这个轴放在圆柱体轴线上的转动惯量相比,相差是非常悬殊的。物理力学上有各种形状物体的转动惯量的公式,还有转动惯量的平行轴定理。你可以通过该定理计算出它们差多少倍。更多的问题你自己去想吧,我不再答复你新的提问了。这里有你没有看到的,我已经给你点清楚了。希望你自己加强基础分析能力,不要全依靠别人手把手教。
[楼主]  [23楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/29 18:34 

根据平行轴定理,自转的m2,相对质心的转动惯量小、相对质心的角速度大。
因此,相对质心,m2逆时针自转角动量比较大。

暂时这样吧。
 [24楼]  作者:王普霖  发表时间: 2014/03/29 18:53 

逆时针自转的m2在圆柱体轴上的转动惯量小,即使转速较快,也不一定角动量大,顺时针绕公共质心的m1和m2的转动惯量大,速度虽很小,m1+m2顺时针的角动量依然大于m2自转的角动量。自己领悟吧,顺便说声谢谢。
[楼主]  [25楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/29 20:40 

由于以后,或许需要分析视频中的角速度大小(比如m2的自转角速度是m1初始角速度的几倍)、来进行计算。
现在,不能排除系统角动量接近零。

因此,23楼中【暂时这样吧。 】。
[楼主]  [26楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2014/03/31 05:15 

20楼21楼中,
移动了一点点(冰块的二分之一半径)
修改为:移动了一点点(等于冰块的半径)
[楼主]  [27楼]  作者:新能源新科技3  发表时间: 2018/02/14 08:05 

重新证明,
搜索参考,冰块碰撞实验,违反角动量守恒定律。(三)http://tieba.baidu.com/p/5550805400


质点系动量守恒定律存在例外(3)
http://tieba.baidu.com/p/5550678983

质点系动量守恒定律存在例外
http://tieba.baidu.com/p/5550801422
000000========

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