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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。"。） |
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