用日光燈管做“一維彈性碰撞”實驗

高中物理選修教材第一章動量守恒定律的第三節“科學探究—— 一維彈性碰撞”最后面的迷你實驗“牛頓搖籃”，器材制作容易，但實驗操作難度較大，極易產生斜碰，且在短時間內發生連續多次碰撞，致使小球位置紊亂。特別是用一個玻璃球去碰撞擺放在桌面上的一排整齊的玻璃球，要實現正碰，更是不易操作。現將這項實驗改動如下：

一、器材選取與制作

1.取40W同規格日光燈管兩根并排放在水平桌面上，把燈管兩端分別用橡皮筋套在一起，或用透明膠帶把它們粘連固定在一起，制成簡易的直線軌道。由于燈管表面光滑，又不變形，這是一種很好的光滑直線軌道。

2.相同規格的玻璃球約20個，相同規格的乒乓球10~20個（至少在兩個乒乓球中注滿水）。

二、實驗設計

1.模擬“牛頓搖籃”實驗。

演示時把多顆（約20顆）同規格的玻璃球放在軌道上正中部位，并使它們緊挨在一起，形成整齊的一排。取出一端的一顆玻璃球拉開適當距離，將其以一定的速度沿軌道滾動，使與其緊挨在一起的那一排玻璃球發生碰撞，可使另一端最外邊的那一顆玻璃球被彈出，而其他的玻璃球靜止不動；若改用兩個玻璃球采用同樣方法同時滾動與整排玻璃球碰撞，會使整排玻璃球另一端的兩個玻璃球同時被碰出，而其他的玻璃球靜止不動；若用三個玻璃球同時與整排玻璃球碰撞，會使整排玻璃球另一端的三個玻璃球同時被碰出，而其他的玻璃球靜止不動；若用幾個同時滾動的玻璃球與整排玻璃球碰撞，會使另一端的相同個數的幾個玻璃球同時被碰出，而其他的玻璃球靜止不動。很明顯，用相同規格一個或兩個、三個乃至多個同時滾動的玻璃球碰撞另一個或相應數目的靜止的玻璃球，碰撞后，都是原來靜止的玻璃球同時以原滾動玻璃球的速度和方向向前運動，原來滾動的玻璃球則在碰撞位置上靜止下來，實驗表明碰撞前后在它們之間發生了速度交換。

為使實驗可見度大，可用相同規格的乒乓球替換玻璃球重做上述實驗。只是由于乒乓球質量分布不太均勻，放置在燈管做的軌道上后，尤其是兩端的球會自行滾動而松開，因此應適當調整各球的擺放方位。（如把所用的全部乒乓球都注滿水或飽和鹽水，自行滾動松開現象將會消除）

2.一維彈性碰撞實驗。

器材及制作：

把兩個相同規格的乒乓球都用注射器針管（細針頭）注滿水，然后用一小片透明膠帶密封注水針孔。

演示實驗：

(1)質量相等的兩球相碰：在軌道上相隔一定距離放上兩個注水的乒乓球，使其中一個乒乓球以一定的速度向另一個乒乓球滾去并與之發生碰撞，碰撞后原來滾動的乒乓球靜止于碰撞位置，原來靜止的乒乓球以原來滾動的乒乓球的速度運動；也就是說兩球碰撞后交換了速度。

(2)質量大的球碰質量小的球：在軌道上相隔一定距離分別放一顆沒有注水的乒乓球和一顆注有水的乒乓球，使注有水的質量大的乒乓球以一定的速度向沒有注水的質量小的乒乓球滾動并與之發生碰撞，碰撞后兩乒乓球都向相同方向滾動，只是沒有注水的質量小的乒乓球滾動的快，注有水的質量大的乒乓球滾動的慢。

(3) 質量小的球碰質量大的球：做法同(2)，只是讓沒有注水的質量小的乒乓球以一定的速度向注有水的質量大的乒乓球滾動并與之發生碰撞，碰撞后沒有注水的質量小的乒乓球被反向彈回，注有水的質量大的乒乓球向前運動的速度很小，甚至幾乎不動。

三、實驗特點及效果

實驗器材取材方便，材料種類少，利用率高，基本無永久性損耗。廢舊燈管和好燈管都可以用，好燈管做完實驗后仍然可以用來照明；玻璃球可選用跳棋使用的玻璃珠，或隨便就可以買到的玻璃彈子；相同規格的乒乓球學校體育器材上就有，購買也很容易；玻璃球、乒乓球在實驗結束后在體育活動中可再使用。

實驗演示時，玻璃球或乒乓球放置于由日光燈管做的軌道上，軌道很直，摩擦較小，相互作用過程中運動靈敏度高，可見度大，實驗現象明顯，效果特別好。實驗中選用乒乓球注水，實現了相互作用的小球體積相等而質量不相等，但碰觸面材料相同的要求，又達到了很容易操作的一維彈性對心正碰實驗效果之目的。

若把課尾的這一很有趣的迷你實驗，即本文的第一個實驗，放在課的開頭作為實驗激趣設疑，再用課本中的探究實驗即本文的第二個實驗來探究釋疑、解疑，前呼后應，課堂教學探究氛圍濃烈，效果會更好。

作者單位 陜西省洋縣教研室

責任編輯張曉楠