Прибор для демонстрации закона сохранения импульса

1. Назначение пособия

Прибор предназначен для использованияв качестве учебного пособия при изучении физики в средней общеобразовательной школе.

2. Краткое описание

Прибор состоит из основания, закрепленных на нем вертикальных опор и горизонтальных стержней, к которым на нитях подвешены пять шаров равной массы.

ВНИМАНИЕ: Прибор поставляется в разобранном положении (основание и рамки отдельно друг от друга). Для сборки необходимо освободить 4 винта в опорах и вставить в них стойки рамок. После этого винты затянуть. Следует также подтянуть винты в самом основании, если они ослабели при транспортировке. 

3. Порядок работы с прибором и описание физического процесса

В статистическом положении на шары действуют внешние силы: сила тяжести G и силы натяжения нитей N. Сумма внешних сил, действующих на шары, равна нулю: G-N*=0, где N*=2N cos (?/2) - равнодействующая сил натяжения N, ? - угол между нитями.
В начале опыт отклоняют шар 1 на некоторый угол ? и отпускают. Под действием силы G шар 1 приходит в движение и, возвращаясь в первоначальное положение, ударяет по шару 2. В начале удара шар 1 обладает скоростью v1.
Импульс системы шаров в начале удара составит P=m1v1+m2v2+m3v3+m4v4+m5v5 или, так как массы шаров равны, P=m(v1+…v5). Шары 2, 3, 4 и 5 в начальный момент удара находятся в покое, их скорости равны нулю. Тогда P=mv1.
В конце удара система шаров будет иметь импульс P*=m(u1+u2+u3+u4+u5), где u1, … u5 - скорости шаров в конце удара.
Визуально наблюдаем, что после удара шар 1 остановился, скорость шаров 2, 3 и 4 остается нулевой. А шар 5, приобретя скорость u5, придет в движение. Импульс системы в конце удара P*=mu5.
Хотя на систему шаров действуют внешние силы, в течение удара сила тяжести и сила натяжения нитей уравновешены и поэтому к системе шаров применим закон сохранения импульса P=P* следует, что mv1=mu5 и, следовательно, u5=v1, т.е. шар 5 в конце удара приобрел скорость, равную скорости шара 1 в начале удара. 
Из закона сохранения энергии следует, что mv12/2=mu52/2, т.е. кинетическая энергия системы шаров в начале удара равна энергии системы в конце удара. Кинетическая энергия системы в начале удара равна потенциальной энергии шара 1 в положении, когда шар находился на высоте H1, т.е. mv12/2=mgH1 (здесь g - ускорение свободного падения). Из этого равенства следует, что v1=?2gH1.
Аналогично можно записать: mu52/2=mgH5, откуда u5=?2gH5. Так как u5=v1, тогда H5=H1.
Сравнивая в опыте высоты отклонения шаров 1 и 5, убеждаемся в равенстве импульсов системы в начале и конце удара. 
В реальной системе при соударении происходит деформация шаров, на которую затрачивается часть кинетической энергии. Для описания реального удара вводится понятие "коэффициента восстановления" k=u/v, где v - скорость тела в начале удара, u - скорость тела в конце удара. Для физических тел 0

4. Правила хранения

Хранить прибор следует в сухом помещении с комнатной температурой (15- 25C) при относительной влажности воздуха 80%.