高中物理驗證動量守恒定律實驗方案設(shè)計研究

文/ 深圳市布吉高級中學(xué) 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。通過動量守恒定律能夠解釋我們生活中的很多問題，例如宏觀物體組成的體系、兩個物體組成的系統(tǒng)以及多個物體組成的系統(tǒng)。當系統(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)動量守恒。高中階段對動量守恒定律的驗證主要是基于一維碰撞模型，兩物體動量守恒的一般表達式是m1v1+m2v2=m1v1+m2v2，其中m1、m2表示兩物體的質(zhì)量，v1、v2表示兩物體的初速度，v1、v2表示兩物體的末速度。根據(jù)速度測算方法的不同又可以分為打點計時器法、氣墊導(dǎo)軌法等。下面將梳理實驗方案，小結(jié)注意事項并提出優(yōu)化方案建議。

一、打點計時器法

1.實驗方案：如圖1- 1 所示，裝有打點計時器的長木板- 小車裝置是高中物理中的經(jīng)典實驗儀器，可以用于研究勻變速直線運動，分析物體加速度和質(zhì)量以及合外力之間的對應(yīng)關(guān)系，驗證機械能守恒等，將其稍加改裝成如圖1- 2 所示的裝置，進而能夠針對動量守恒定律進行驗證，具體方法步驟便是將打點計時器固定在一個長木板上面，借助紙帶將其和小車1 連接。推動小車1 撞擊木板另外一端，同時將紙帶和打點計時器連接，然后將其綁在小車1 上面。讓處于運動狀態(tài)下的小車1 和處于靜止狀態(tài)的小車2進行碰撞，將橡皮泥和撞針安裝在碰撞的小車上一起運動。借助紙帶針對小車發(fā)生碰撞前后兩個狀態(tài)下的速度進行測試，碰撞前后小車速度分別是v1和v1，托盤天平稱量兩小車的質(zhì)量分別是m1、m2，在誤差勻速的范圍內(nèi)，驗證m1v1=（m1+m2）v1是否成立，就可實現(xiàn)驗證兩小車構(gòu)成的系統(tǒng)動量是否守恒的目的。

圖1 -2

圖1 -1

2.改進建議：該方案只能驗證完全非彈性碰撞情景，但是因為模板并非屬于完全理想的光滑狀態(tài)，且紙帶和打點計時器之間存在摩檫力，故而導(dǎo)致實驗存在較大誤差。實驗中可適當增大兩小車的質(zhì)量或增大小車1 的初速度，從而減小實驗誤差。

二、氣墊導(dǎo)軌法

1.實驗方案：氣墊導(dǎo)軌是高中物理常用的實驗儀器之一，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，滑塊運動時可視為不受阻力。如圖2- 1 所示，利用與氣墊導(dǎo)軌配套的光電門計時器可以測算兩個滑塊碰撞前后的速度?；驹肀闶墙柚潭瘸哚槍瑝K上對應(yīng)擋光片寬度進行測量，即得到Δx，借助光電門計時器針對擋光片經(jīng)過光電門的時間進行測試，即Δt，借助公式針對滑塊速度進行計算。測出兩小車碰撞前的速度v1、v2和兩小車碰撞后的速度v1、v2，用托盤天平稱量兩小車的質(zhì)量分別是m1、m2，在誤差勻速的范圍內(nèi)，驗證m1v1+m2v2=m1v1+m2v2是否成立，就可達到驗證兩小車構(gòu)成的系統(tǒng)動量是否守恒的目的。

2.改進建議：該方案中選用寬度較窄的擋光片，測算出的速度將更精確。相較于打點計時器法，該方案可基本消除摩擦力的影響，減小實驗誤差，實驗前要注意調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平。對滑塊稍作改裝，還可驗證三種不同碰撞類型中的動量守恒。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現(xiàn)彈性碰撞（如圖2- 2）。將橡皮泥和撞針分別安裝在滑塊碰撞端，具體參見下圖2- 3，當滑塊經(jīng)過碰撞后組成整體，并且進行運動，進而能夠?qū)崿F(xiàn)非彈性碰撞，將尼龍魔術(shù)貼安裝在兩個滑塊上同樣可以實現(xiàn)此效果。

圖2 -1

圖2 -2

圖2 -3