動量守恒定律驗證實驗教學的改進

韓 哲　張 璇

(唐山學院　河北 唐山　063000)

?

動量守恒定律驗證實驗教學的改進

韓 哲張 璇①

(唐山學院河北 唐山063000)

驗證動量守恒定律實驗中要求兩個滑塊的水平初速度相差較大，上述要求對學生來說操作難度較大，本實驗設計的裝置是利用單擺擊打滑塊,使滑塊獲得相差較大的水平初速度，解決了操作難度大的問題,并且減小了實驗誤差.

驗證動量守恒教學改進

根據動量守恒定律，若系統不受外力或所受外力的矢量和為零，則系統的總動量保持不變[1].氣墊導軌利用從導軌表面噴出的壓縮空氣，在導軌與滑塊間形成空氣薄膜(即氣墊)，使滑塊懸浮在導軌面上，在水平氣墊導軌上的兩個物體，由于氣墊的漂浮作用，物體受到的摩擦力可以忽略不計[2].這樣，當兩物體發生撞碰時系統的動量守恒，碰撞前后的總動量相等.所以驗證動量守恒定律的實驗在氣墊導軌上進行，以保證碰撞系統所受外力的矢量和為零.選取兩個質量相等的滑塊，設m1=m2=m，分別給兩滑塊施力使其獲得初速度，且相向運動發生碰撞，通過兩個光電門記錄兩滑塊的初速度分別為v11,v21，碰后兩個滑塊通過兩光電門的速度分別為v12,v22.則根據動量守恒定律有

m1v11+m2v21=m1v12+m2v22

實驗要求兩滑塊受力大小相差較大，從而保證它們獲得相差較大的水平初速度，以減小實驗誤差.但由于學生缺乏操作經驗，難以控制施力大小，不能保證兩滑塊初速度相差較大；而且不能保證給滑塊水平施力，施力的方向經常向下傾斜，會導致滑塊劃蹭氣墊導軌，增加摩檫阻力，從而導致實驗結果誤差較大.

為了解決現有實驗設備中存在的諸多缺陷，我們對實驗裝置進行了改進，可以得到比較精確的實驗結果.改進后的實驗裝置示意圖如圖1所示.

圖1　驗證動量守恒實驗裝置示意圖

如圖1所示，在氣墊導軌3的兩端通過梁架9分別安裝有懸臂梁1，懸臂梁上設置有套管8，單擺4通過套管8安裝在懸臂梁1上，量角器2與單擺4同心安裝在懸臂梁1上，在氣墊導軌3上，梁架9內側分別安裝有兩個光電門6，光電門6與電腦計數器7相連接.另外單擺4的擺臂具有一定的寬度，一般為2～3cm，這一寬度保證了單擺4只會延氣墊導軌方向做左右擺動，不會發生前后轉動.還可以繼續改進通過計算或實測將量角器的角度換算成碰撞滑塊的初速度標注在量角器2上.

實驗時，采用單擺擺錘擊打滑塊使其獲得初速度驗證動量守恒定律的方法，用單擺擺錘垂直擊打滑塊，既有效保證了滑塊初速度方向水平，又克服了摩擦阻力.安裝的同心量角器，使擊打滑塊擺錘的擺角成為已知.當擺錘偏離平衡位置時，偏離的角度不同，滑塊碰撞前就會獲得不同的初速度，通過改變擊打滑塊擺錘的擺角，可以使滑塊獲得大小不同的初速度，大大減小了誤差，實驗裝置簡單、明了，便于學生理解掌握.

具體驗證方法：

選取質量相等的兩個滑塊m1=m2=m分別放在氣墊導軌3上、單擺4的內側，將兩單擺的擺錘5偏離平衡位置一定角度(要求兩個擺錘偏離的角度相差較大)，將擺錘5釋放，則兩擺錘5分別擊打兩個滑塊，滑塊通過光電門6的速度由電腦計數器7記錄，左邊滑塊碰撞前的速度為v11，右邊滑塊碰撞前速度為v21，兩滑塊以上述初速度相向運動，在氣軌中間位置發生彈性碰撞后互相彈開，分別測得左邊滑塊碰撞后速度為v12，右邊滑塊碰撞后速度為v22，則驗證動量守恒定律如下[3].

計算碰撞前的動量

p0=m1v11-m2v21

計算碰撞后的動量

p=m2v22-m1v12

動量差

Δp=p0-p

百分誤差

因為本實驗裝置保證了兩滑塊初速度v11，v21方向水平且相差較大，即百分差E的分母很大，又克服了水平方向的摩擦阻力，所以實驗結果百分誤差極小，在所需范圍之內，則動量守恒定律成立.

1李秀燕，呂玉祥，曲華,等，大學物理實驗.北京:科學出版社，2001.48～54

2李書光，胡松青，張令坦.大學物理實驗.北京:清華大學出版社，2008.101～109

3杜寧，邊靜.驗證動量守恒定律的幾點討論.中國教育技術裝備，2014(14) :125～127

ImprovementonExperimentTeachingofVerifyingLawofConservationofMomentum

HanZheZhangXuan

(TangshanUniversity,Tangshan,Hebei063000)

Theconservationofmomentumexperimentrequirestwoslidingblockwhichhavelargedifferenceofinitialvelocity,butitisrelativelydifficultforthestudents,thispaperputsforwardusingpendulumstrucktheslidertosolvethisproblem,andreducetheexperimentalerror.

lawofconservationofmomentum;experimentteaching;improvement

①韓哲(1974-),女，高級實驗師，主要從事物理實驗教學.

2015-12-18)