優(yōu)化動量實驗方案 創(chuàng)新設(shè)計實驗過程

王金兵

摘 要：掌握常規(guī)考法，關(guān)注實驗創(chuàng)新，對比研究了動量守恒定律實驗的幾種設(shè)計方案。通過常規(guī)操作方法和創(chuàng)新操作方法的對比，拓寬學生視野，培養(yǎng)實驗?zāi)芰Α?/p>

關(guān)鍵詞：動量守恒定律；創(chuàng)新；六種方案；能力

動量守恒定律實驗是要驗證碰撞前后系統(tǒng)的動量之和是否相等。實際實驗時可以結(jié)合打點計時器知識、光電門知識、圓周運動知識、平拋知識、斜面知識等測量或計算速度，另外導(dǎo)軌可以是斜面、水平氣墊導(dǎo)軌等，有多種方案可選。本文擬從常規(guī)實驗出發(fā)，結(jié)合以上知識設(shè)計幾種方案，通過創(chuàng)新實驗設(shè)計，從而在實驗的同時開發(fā)智力，拓寬視野，培養(yǎng)能力。

一、導(dǎo)軌與平拋相結(jié)合

在教材驗證動量守恒定律實驗裝置的基礎(chǔ)上作圖1的變動，去掉支柱。

用平拋運動知識可以測出其速度：因它們下落的高度相同，故飛行時間相同，設(shè)為t，則它們飛行的水平距離s=υt，在圖1中有

OP=υ1t……① OM=υ1′t……② ON=υ2′t……③

如果實驗中測得的m1、m2，OP、OM、ON滿足關(guān)系

m1·OP=m1·OM+m2·ON

把①②③代入上式后消去t，可得到m1υ1=m1υ1′+m2υ2′

就驗證了動量守恒定律。

實驗反思：教材上原實驗在操作時支柱易倒，操作難度大，在計算時容易出現(xiàn)O與O′點混淆，還需要測出小球的直徑。本實驗進行了創(chuàng)新設(shè)計，沒有用支柱，操作難度小。另外，在計算時起點均為O點，從而降低了計算難度，也不需要測出小球的直徑，明顯要容易得多。

二、導(dǎo)軌與斜面相結(jié)合，綜合平拋知識運用

選取兩個體積相同、質(zhì)量不等的小球，按下述步驟做了以下實驗：

（1）用天平測出兩個小球的質(zhì)量分別為m1和m2，且m1>m2。

（2）按照圖2所示的實驗裝置，將斜槽AB固定在桌邊，使槽末端點的切線水平，將一斜面BC連接在斜槽末端。

（3）先讓小球m1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下（此時不放小球m2），記下小球在斜面上的落點位置。

（4）將小球m2放在斜槽前端邊緣處，讓小球m1從斜槽頂端A處自由滾下，使它們發(fā)生碰撞，記下兩球在斜面上的落點位置。

（5）用刻度尺量出各個落點位置到斜槽末端點B的距離，圖中D、E、F點是記下的小球在斜面上的幾個落點位置，到B點的距離分別為LD、LE、LF。小球m1與m2發(fā)生碰撞后，m1的落點是圖中的D點，m2的落點是圖中的F點。

分析：設(shè)小球從B點水平射出時的速度為v，落點位置到斜槽末端點B的距離為L，由平拋知識可得：Lcosθ=vt，Lsinθ=■gt2消去t，可得L=■

所以，速度v與■成正比。

用測得的物理量表示，只要滿足關(guān)系式m1■=m1■+m2則說明碰撞中動量守恒。

實驗反思：本實驗在操作時創(chuàng)新設(shè)計出斜面方案，沒有用支柱，操作難度小。另外，進行平拋知識的復(fù)習與運用，拓寬視野，培養(yǎng)能力。

三、斜面結(jié)合打點計時器

圖3所示為用打點計時器驗證動量守恒定律的實驗裝置，在小車A的前端粘有橡皮泥，推動小車A使之做勻速直線運動，然后與原來靜止在前方的小車B相碰并粘合成一體，繼續(xù)做勻速直線運動。小車A后連著紙帶，電磁打點計時器的電源頻率為50 Hz，長木板下墊著小木片用以平衡摩擦力。

（1）若已得到打點紙帶如圖4所示，并將測得各計數(shù)點間距標在圖上，A為運動起始點，以BC段計算小車A的碰前速度vA，以DE段計算A和B碰后的共同速度v共。

（2）若已測得小車A的質(zhì)量m1、小車B的質(zhì)量m2，那么碰撞前后兩小車的總動量均可計算出來，從而驗證動量是否守恒。

實驗反思：本實驗在操作時創(chuàng)新設(shè)計出運用打點計時器測出碰撞前后的速度，測量精度有所提高。

四、碰撞與圓周運動結(jié)合

如圖5所示裝置驗證動量守恒定律，用輕質(zhì)細線將小球1懸掛于O點，使小球1的球心到懸點O的距離為L，被碰小球2放在光滑水平桌面上的B點。將小球1從右方的A點（OA與豎直方向的夾角為α）由靜止釋放，擺到最低點時恰與小球2發(fā)生正碰，碰撞后，小球1繼續(xù)向左運動到C位置（OC與豎直方向夾角為θ），小球2落到水平地面上，落點D到桌面邊緣的水平距離為s。

（1）實驗中測得上述物理量中的θ、α、L、s以及小球1的質(zhì)量m1和小球2的質(zhì)量m2，以及桌面高度h。

（2）用測得的物理量結(jié)合已知物理量分別表示碰撞前后小球1的動量：p1、p1′；再用物理量表示碰撞前后小球2的動量：p2、p2′，則：p2=0；p1=m1■；p1′=m1■；p2′=m2s■。代入數(shù)據(jù)計算出碰撞前后系統(tǒng)的動量之和，從而驗證動量是否

守恒。

實驗反思：本實驗在操作時創(chuàng)新設(shè)計出運用單擺擺動角度計算出碰撞前后兩個物體的速度，拓寬了學生視野，鍛煉了學生思維，提高了學生綜合運用知識的能力。

編輯 任 壯