高中物理驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)研究

李海斌

守恒思想是物理學(xué)研究的重要思想，物理學(xué)家總是在不斷探索我們生活中的不變量。通過(guò)動(dòng)量守恒定律能夠解釋我們生活中的很多問(wèn)題，例如宏觀物體組成的體系、兩個(gè)物體組成的系統(tǒng)以及多個(gè)物體組成的系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)受到的合外力是零或不受外力作用情況下，那么該系統(tǒng)動(dòng)量守恒。高中階段對(duì)動(dòng)量守恒定律的驗(yàn)證主要是基于一維碰撞模型，兩物體動(dòng)量守恒的一般表達(dá)式是m1v1+m2v2=m1v'1+m2v'2，其中m1、m2表示兩物體的質(zhì)量，v1、v2表示兩物體的初速度，v'1、v'2表示兩物體的末速度。根據(jù)速度測(cè)算方法的不同又可以分為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器法、氣墊導(dǎo)軌法等。下面將梳理實(shí)驗(yàn)方案，小結(jié)注意事項(xiàng)并提出優(yōu)化方案建議。

一、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器法

1.實(shí)驗(yàn)方案：如圖1-1所示，裝有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的長(zhǎng)木板-小車裝置是高中物理中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)儀器，可以用于研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)，分析物體加速度和質(zhì)量以及合外力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，驗(yàn)證機(jī)械能守恒等，將其稍加改裝成如圖1-2所示的裝置，進(jìn)而能夠針對(duì)動(dòng)量守恒定律進(jìn)行驗(yàn)證，具體方法步驟便是將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在一個(gè)長(zhǎng)木板上面，借助紙帶將其和小車1連接。推動(dòng)小車1撞擊木板另外一端，同時(shí)將紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器連接，然后將其綁在小車1上面。讓處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的小車1和處于靜止?fàn)顟B(tài)的小車2進(jìn)行碰撞，將橡皮泥和撞針安裝在碰撞的小車上一起運(yùn)動(dòng)。借助紙帶針對(duì)小車發(fā)生碰撞前后兩個(gè)狀態(tài)下的速度進(jìn)行測(cè)試，碰撞前后小車速度分別是v1和v'1，托盤天平稱量?jī)尚≤嚨馁|(zhì)量分別是m1、m2，在誤差勻速的范圍內(nèi)，驗(yàn)證m1v1=（m1+m2）v'1是否成立，就可實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證兩小車構(gòu)成的系統(tǒng)動(dòng)量是否守恒的目的。

2.改進(jìn)建議：該方案只能驗(yàn)證完全非彈性碰撞情景，但是因?yàn)槟０宀⒎菍儆谕耆硐氲墓饣瑺顟B(tài)，且紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間存在摩檫力，故而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)存在較大誤差。實(shí)驗(yàn)中可適當(dāng)增大兩小車的質(zhì)量或增大小車1的初速度，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差。

二、氣墊導(dǎo)軌法

1.實(shí)驗(yàn)方案：氣墊導(dǎo)軌是高中物理常用的實(shí)驗(yàn)儀器之一，它利用氣泵使導(dǎo)軌上的小氣孔噴氣，軌道和滑塊之間形成氣墊，從而使得滑塊懸浮于軌道之上，滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)可視為不受阻力。如圖2-1所示，利用與氣墊導(dǎo)軌配套的光電門計(jì)時(shí)器可以測(cè)算兩個(gè)滑塊碰撞前后的速度?；驹肀闶墙柚潭瘸哚槍?duì)滑塊上對(duì)應(yīng)擋光片寬度進(jìn)行測(cè)量，即得到？駐x，借助光電門計(jì)時(shí)器針對(duì)擋光片經(jīng)過(guò)光電門的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，即？駐t，借助公式v=針對(duì)滑塊速度進(jìn)行計(jì)算。測(cè)出兩小車碰撞前的速度v1、v2和兩小車碰撞后的速度v'1、v'2，用托盤天平稱量?jī)尚≤嚨馁|(zhì)量分別是m1、m2，在誤差勻速的范圍內(nèi)，驗(yàn)證m1v1+m2v2=m1v'1+m2v'2是否成立，就可達(dá)到驗(yàn)證兩小車構(gòu)成的系統(tǒng)動(dòng)量是否守恒的目的。

2.改進(jìn)建議：該方案中選用寬度較窄的擋光片，測(cè)算出的速度將更精確。相較于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器法，該方案可基本消除摩擦力的影響，減小實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)前要注意調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平。對(duì)滑塊稍作改裝，還可驗(yàn)證三種不同碰撞類型中的動(dòng)量守恒。圖2-1中兩滑塊為非彈性碰撞，如在兩滑塊相碰的端面裝上橡皮筋可實(shí)現(xiàn)彈性碰撞（如圖2-2）。將橡皮泥和撞針?lè)謩e安裝在滑塊碰撞端，具體參見下圖2-3，當(dāng)滑塊經(jīng)過(guò)碰撞后組成整體，并且進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)非彈性碰撞，將尼龍魔術(shù)貼安裝在兩個(gè)滑塊上同樣可以實(shí)現(xiàn)此效果。

責(zé)任編輯 王思靜