論動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)的相關(guān)改進(jìn)

李林玥

摘 要：動(dòng)量守恒定律是人們最早發(fā)現(xiàn)的能量守恒定律之一。動(dòng)量守恒定律能力，在沒有外力的約束下，系統(tǒng)中的總動(dòng)量始終是不會變的。為了驗(yàn)證這一理論的正確與否，人們做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這一定律的正確性，這一實(shí)驗(yàn)被稱為“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”的實(shí)驗(yàn)?！膀?yàn)證動(dòng)量守恒定律”的實(shí)驗(yàn)在理論上清楚明白，但由于實(shí)驗(yàn)的操作和設(shè)計(jì)過于繁瑣，加之同學(xué)間的水平不同，實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果很容易出現(xiàn)誤差。文章就簡化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)步驟，提高實(shí)驗(yàn)效果提出了改進(jìn)的方法。文章從高中生的角度出發(fā)，結(jié)合自身所學(xué)相關(guān)知識，試論動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)的相關(guān)改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)量守恒；驗(yàn)證；動(dòng)量守恒定律；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

動(dòng)量守恒定律實(shí)際上是能量守恒定律的一種體現(xiàn)，在現(xiàn)實(shí)生活中，所有的物體都會因?yàn)閯?dòng)能的改變而使自身的動(dòng)量發(fā)生改變，然而動(dòng)量的改變也是有規(guī)律可循的。在一個(gè)系統(tǒng)中，只要能量不被轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，那么動(dòng)量就只會與沖量相互轉(zhuǎn)化，那么在系統(tǒng)中的總動(dòng)量是不變的。

一、動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

動(dòng)量守恒是能量守恒的一種表現(xiàn)形式，事實(shí)上，能量守恒與動(dòng)量守恒都是廣泛存在于自然界和人們的日常生活中的。動(dòng)量守恒定律具有普遍適用性，即是一個(gè)實(shí)驗(yàn)規(guī)律又可用牛頓第三定理和動(dòng)量定理進(jìn)行推導(dǎo)，但現(xiàn)行高中物理課本中關(guān)于《驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律》的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，是要求研究兩小球正碰時(shí)的規(guī)律?？墒鞘褂玫膶?shí)驗(yàn)裝置卻是為做斜碰實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，使用實(shí)驗(yàn)器材多，像教材上那樣搬來做正碰實(shí)驗(yàn)，對心碰撞操作較難，不易調(diào)節(jié)，且誤差較大。筆者認(rèn)為，可以改變實(shí)驗(yàn)所需器材、改變實(shí)驗(yàn)步驟和改變具體實(shí)驗(yàn)過程，以下對其進(jìn)行逐一介紹：

（1）實(shí)驗(yàn)所需器材。實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的主要器材有兩小球、圓規(guī)、量角器、重錘、棉線、彈簧、天秤、復(fù)寫紙、刻度尺和白紙。注意事項(xiàng)有，彈簧要連接兩個(gè)小球，量角器應(yīng)該精準(zhǔn)，圓規(guī)必須方便畫圓，刻度尺上面不能夠模糊，白紙應(yīng)該準(zhǔn)備三張或者三張以上。棉線的作用是將重錘吊起，重錘主要用來測量桌面是否垂直，復(fù)寫紙是為了能夠讓白紙上留下球落地的痕跡，圓規(guī)的作用是是以圓心為點(diǎn)畫一個(gè)圓。

（2）改變實(shí)驗(yàn)步驟。針對上述問題，筆者對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下簡單的改進(jìn)：質(zhì)量為M1、M2的兩個(gè)小球中間放一根壓縮的彈簧將其分別置于高為h的水平桌面兩側(cè)。彈簧松開后，小球分別彈出作平拋運(yùn)動(dòng)，落地時(shí)在事先鋪置于桌底的白紙上留下痕跡。多次實(shí)驗(yàn)取痕跡最小半徑圓中心為落地點(diǎn)，分別測得落地點(diǎn)與桌的距離X1、X2，只需驗(yàn)證M1X1= M2X2即可。其原理是由運(yùn)動(dòng)定律h=12gt，X=vt 用x代替v的測量。

（3）改變具體實(shí)驗(yàn)過程。具體實(shí)驗(yàn)過程包括以下五點(diǎn)：一是桌面水平檢驗(yàn)：在實(shí)驗(yàn)桌邊懸掛重錘，觀察棉線是否與量角器九十度角線重合。二是儀器安置：將放置于桌面的長彈簧壓縮至比桌長略短，在兩端分別輕輕放置兩個(gè)小球，使小球剛好靜止于桌沿。并在桌下鋪設(shè)一張墊有復(fù)印紙的白紙。三是松開彈簧使小球自由彈落，小球砸中白紙留下痕跡。多次重復(fù)后取出白紙，利用圓規(guī)作出最小能包含所有較深顏色墨跡的圓，圓心即為落地點(diǎn)。四是數(shù)據(jù)測量與處理：測出落地點(diǎn)與桌水平距離。多次實(shí)驗(yàn)取平均值分別得X1、X2，計(jì)算比較M1 X1與M2 X2的大小。五是分析得出結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)M1 X1與M2 X2的大小相等，即在本實(shí)驗(yàn)中動(dòng)量守恒。

二、動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

教科書上的動(dòng)量實(shí)驗(yàn)具有較大的局限性，這是毋庸置疑的。原因有很多，首先兩球碰撞的時(shí)候，碰撞點(diǎn)具有較大的隨機(jī)性，有時(shí)候多次對碰也不能夠使兩球?qū)π呐鲎?；其次這種碰撞的方式不容易調(diào)節(jié)，容易受到摩擦力以及空氣阻力的干擾；最后測量出來的數(shù)據(jù)誤差比較大，即使多次實(shí)驗(yàn)后得到的平均數(shù)據(jù)也跟真實(shí)數(shù)據(jù)有較大的出入。相對于教科書上的動(dòng)量實(shí)驗(yàn)，動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后卻有很多的優(yōu)點(diǎn)，以下列舉三個(gè)方面進(jìn)行逐一分析：

（一）誤差小

教科書上的動(dòng)量實(shí)驗(yàn)隨機(jī)性較大，造成的誤差也大，即便多次實(shí)驗(yàn)去結(jié)果的平均值，依然會跟有正確答案著較大的出入和誤差。改進(jìn)后的動(dòng)量實(shí)驗(yàn)誤差較小，因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)的依據(jù)并不是兩球的對心碰撞，而是將其轉(zhuǎn)化為平拋運(yùn)動(dòng)，獲得其運(yùn)動(dòng)軌跡，干擾因素較少。此外，該試驗(yàn)選擇數(shù)據(jù)的方式也比較合理，取多次小球落地后的平均點(diǎn)，得到的數(shù)據(jù)是平均值，大大減少了誤差。

（二）省時(shí)省力

教科書上的動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因?yàn)榫哂休^大的隨機(jī)性，所以必須做多幾次實(shí)驗(yàn)，才能夠取得平均值，盡可能地減少實(shí)驗(yàn)誤差。而改進(jìn)后的動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)具備省時(shí)省力的特點(diǎn)，并不需要多少次實(shí)驗(yàn)就能夠得出比較有效的數(shù)據(jù)，并將這些有效的數(shù)據(jù)平均，迅速得出接近真實(shí)數(shù)據(jù)的答案。改進(jìn)后的動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)操作也比較簡單，只需要在球落地后標(biāo)注好圓心，并將球心作為圓心用圓規(guī)畫圓即可，在多次畫圓后便可以得到球體清晰的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而迅速了解小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（三）容易掌握和調(diào)節(jié)

教科書上的動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)并不容易掌握和調(diào)節(jié)，一方面對心碰撞的隨機(jī)性較大，另一方面兩個(gè)小球的碰撞也不容易掌控。改進(jìn)后的動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)卻很容易被實(shí)驗(yàn)者掌握或者調(diào)節(jié)，因?yàn)閮汕虮粡椈蛇B接起來了，需要掌控的數(shù)量少了。另外，各種數(shù)據(jù)也非常容易測定，如桌面高度，球的落地點(diǎn)與桌角的距離，球的運(yùn)動(dòng)軌跡等等。另外，如果出現(xiàn)了較大的誤差，也能夠很快地糾正過來，如桌子與地面不夠垂直，紙面不夠潔白以及復(fù)寫紙紙印不夠深等等，只要發(fā)現(xiàn)這些不足，就能夠很快地將其糾正。

綜上所述，動(dòng)量守恒是能量守恒的一種表現(xiàn)形式，事實(shí)上，能量守恒與動(dòng)量守恒都是廣泛存在于自然界和人們的日常生活中的。碰撞點(diǎn)具有較大的隨機(jī)性，有時(shí)候多次對碰也不能夠使兩球?qū)π呐鲎?；其次這種碰撞的方式不容易調(diào)節(jié)等等，改進(jìn)后的動(dòng)量實(shí)驗(yàn)誤差小、省時(shí)省力、容易掌握和調(diào)節(jié)，能夠更好地驗(yàn)證動(dòng)量守恒定理，是非常科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)方式。

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