多體碰撞的實驗裝置的製作方法

2023-05-28 13:05:46

專利名稱：多體碰撞的實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於普通物理教學中的實驗裝置，具體地說是一種在力學、電磁學等普通物理教學中的多體碰撞的實驗裝置。
背景技術：
在現有的力學、電磁學等普通物理教學中主要討論的是單體、或兩體相互作用系統，並且也有專門用於研究單體、或兩體相互作用的實驗裝置。但是，在普通物理教學中關於三體及三體以上的多體相互作用系統，是一個尚未解決的問題，也是物理學一直關注的問題。目前也沒有專門用於研究三體及三體以上的多體相互作用實驗裝置。

發明內容
本發明的目的是提供一種專門用於研究三體及三體以上的多體相互作用的實驗裝置。本實驗裝置用簡單的實驗表現小鋼球在磁力束縛下的多體相互作用的過程及結果。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種多體碰撞的實驗裝置，其特徵在於它包括可調水平的圓形平臺，在該圓形平臺的底部中心安裝有磁鐵，受磁鐵磁力束縛的靶系設置在圓形平臺上面與磁鐵相對應的位置；在圓形平臺的圓周上標有角坐標，且在角坐標180°的位置上設有向靶系發射小球的準直孔，且準直孔對準靶系的中心位置；在圓形平臺周圍均勻設有一組用來接收散射小球的分隔欄。
本發明中所述的靶系是一組相同的小鋼球；入射小球也為小鋼球。靶系可以是一組3個相同的小鋼球，也可以是一組7個相同的小鋼球。
本發明在圓形平臺周圍每隔5°設有一個用來接收散射小球的分隔欄。
本發明中，作為靶系統的一組N個小鋼球受到磁力的束縛；由於磁力的大小與距離的平方成反比，距小磁鐵近的小鋼球受到束縛力強，距小磁鐵遠的小鋼球受到束縛力弱。
從能量角度來看，一個能量為E0的鋼球進入靶系統後，與靶系內N個鋼球發生碰撞。由於小鋼球之間存在相互作用，入射鋼球的能量被包括入射鋼球、靶系鋼球在內的N+1個鋼球分享，形成N+1個鋼球組成的複合體C*，其中C*表示一種複雜的多體運動狀態，系統能量重新分配，經過ΔT時間後，有小鋼球射出，出射鋼球的數目、取向與能量E0有關，與入射鋼球、靶系鋼球的直徑有關，與小磁鐵的強度有關。當入射鋼球的能量E0較小時，不足於克服鋼球之間的吸引力，入射鋼球會被靶系統俘獲；當入射鋼球的能量E0較大時，靶系統會被入射鋼球打散；只有當入射鋼球的能量E0等於某一個值時，入射鋼球與靶系統相互作用後只射出一個鋼球，鋼球的出射方向與入射方向的夾角稱為散射角，用θ表示，-π≤θ≤π，並且出射鋼球的取向呈現與散射角相關的機率分布。
A+N→C*→N+B式中A表示入射鋼球的狀態，B表示出射鋼球的狀態，C*表示由N+1個鋼球組成的複合體。
本發明結構簡單、操作方便，用簡單的實驗表現小鋼球在磁力束縛下的多體相互作用的過程及結果，是一種簡單的、適用於研究三體、或三體以上的多體相互作用的實驗裝置。


圖1是本發明的結構示意圖；圖2是本發明中準直孔的示意圖；圖3a是7個束縛球的靶系鋼球分布示意圖；圖3b是3個束縛球的靶系鋼球分布示意圖；圖3c是剛性柱形靶系示意圖；圖4是散射機率隨散射角的變化曲線圖。
具體實施例方式
一種本發明所述的多體碰撞的實驗裝置，見圖1，包括可調水平的圓形平臺1，在該圓形平臺1的底部中心安裝有磁鐵2，在圓形平臺上面與磁鐵2相對應的中心位置放置N個相同的小鋼球作為靶系統3，靶系統鋼球受到磁力的束縛。在圓形平臺1的圓周上標有角坐標4，且在角坐標180°的位置上設有用來向靶系統發射小球的準直孔5，且準直孔5對準靶系統3的中心位置，見圖2，通過準直孔5可射入能量為E0的小鋼球。在圓形平臺1周圍每隔5°有一個分隔欄6，用來接收散射小球。
實驗時，選擇同一規格的鋼球作為入射鋼球、靶系統鋼球，鋼球的直徑為D，選擇單個鋼球入射，調整入射鋼球的能量E0，使它與靶系統碰撞後只射出一個鋼球。
固定小磁鐵不變。當靶系由7個鋼球組成時，觀測出射小球的運動狀態，並記錄出射小鋼球的角位置；當靶系由3個鋼球組成時，觀測出射小球的運動狀態，並記錄出射小鋼球的角位置。
撤掉小磁鐵，用固定的鋼柱作為靶，觀測出射小球的運動狀態，記錄出射小鋼球的角位置，並與入射鋼球被多個束縛鋼球靶系散射的結果作比較。
實驗時靶系鋼球分布見圖3a、圖3b和圖3c。
實驗表明(1)小鋼球與固定的剛性圓柱碰撞，靶系統只是一個剛性的圓柱，可看成單體問題。忽略摩擦力，出射小鋼球的角位置與碰撞的位置相關，作為兩體碰撞，是完全可解的，其散射機率只有一個峰，並且峰的位置在180°。
(2)入射小鋼球與7個鋼球的靶系統碰撞，這7個鋼球處於束縛態，它們之間是存在相互作用的，這是一個多體問題，但相互作用較弱。小鋼球的散射機率已不只是一個極大。
入射小鋼球與3個鋼球的靶系統碰撞。這時，3個小鋼球受到較強的束縛，它們之間的相互作用力也較強，出射小球的運動較複雜。有時平動射出，這時，ΔT較小；有時自轉著射出，這時ΔT較大，散射角可以很大。
從圖4可以看到，小鋼球被7個鋼球的靶系、3個鋼球的靶系散射的機率分布與被剛性柱散射的機率分布明顯不同，被多個束縛鋼球散射的機率分布有若干個峰，碰撞過程明顯有能量重分配的痕跡；此外鋼球的數目不同也會導致機率分布的變化。
通過實驗可以知道，當實驗重複次數足夠大時，散射機率的分布趨於穩定。
權利要求
1.一種多體碰撞的實驗裝置，其特徵在於它包括可調水平的圓形平臺(1)，在該圓形平臺(1)的底部中心安裝有磁鐵(2)，受磁鐵(2)磁力束縛的靶系(3)設置在圓形平臺(1)上面與磁鐵(2)相對應的位置；在圓形平臺(1)的圓周上標有角坐標(4)，且在角坐標180°的位置上設有用來向靶系(3)發射小球的準直孔(5)，且準直孔(5)對準靶系(3)的中心位置；在圓形平臺(1)周圍均勻設有一組用來接收散射小球的分隔欄(6)。
2.根據權利要求1所述的多體碰撞的實驗裝置，其特徵在於所述靶系(3)是一組相同的小鋼球；入射小球為小鋼球。
3.根據權利要求2所述的多體碰撞的實驗裝置，其特徵在於所述靶系(3)是一組3個相同的小鋼球。
4.根據權利要求2所述的多體碰撞的實驗裝置，其特徵在於所述靶系(3)是一組7個相同的小鋼球。
5.根據權利要求1所述的多體碰撞的實驗裝置，其特徵在於在圓形平臺(1)周圍每隔5°設有一個用來接收散射小球的分隔欄(6)。
全文摘要
本發明公開了一種多體碰撞的實驗裝置，它包括可調水平的圓形平臺，在該圓形平臺的底部中心安裝有磁鐵，受磁鐵磁力束縛的靶系、放置在圓形平臺上面與磁鐵相對應的位置；在圓形平臺的圓周上標有角坐標，且在角坐標180°的位置上設有向靶系發射小球的準直孔，且準直孔對準靶系的中心位置；在圓形平臺周圍均勻設有一組用來接收散射小球的分隔欄。本發明用簡單的實驗表現小鋼球在磁力束縛下的多體相互作用的過程及結果。是一種簡單的、適用於研究三體或三體以上的多體相互作用的實驗裝置。
文檔編號G09B23/10GK101051424SQ20071002233
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月14日 優先權日2007年5月14日
發明者蘇為寧, 於瑤, 趙經武, 周進 申請人:南京大學