優化動量實驗方案 創新設計實驗過程

王金兵

摘 要：掌握常規考法，關注實驗創新，對比研究了動量守恒定律實驗的幾種設計方案。通過常規操作方法和創新操作方法的對比，拓寬學生視野，培養實驗能力。

關鍵詞：動量守恒定律；創新；六種方案；能力

動量守恒定律實驗是要驗證碰撞前后系統的動量之和是否相等。實際實驗時可以結合打點計時器知識、光電門知識、圓周運動知識、平拋知識、斜面知識等測量或計算速度，另外導軌可以是斜面、水平氣墊導軌等，有多種方案可選。本文擬從常規實驗出發，結合以上知識設計幾種方案，通過創新實驗設計，從而在實驗的同時開發智力，拓寬視野，培養能力。

一、導軌與平拋相結合

在教材驗證動量守恒定律實驗裝置的基礎上作圖1的變動，去掉支柱。

用平拋運動知識可以測出其速度：因它們下落的高度相同，故飛行時間相同，設為t，則它們飛行的水平距離s=υt，在圖1中有

OP=υ1t……① OM=υ1′t……② ON=υ2′t……③

如果實驗中測得的m1、m2，OP、OM、ON滿足關系

m1·OP=m1·OM+m2·ON

把①②③代入上式后消去t，可得到m1υ1=m1υ1′+m2υ2′

就驗證了動量守恒定律。

實驗反思：教材上原實驗在操作時支柱易倒，操作難度大，在計算時容易出現O與O′點混淆，還需要測出小球的直徑。本實驗進行了創新設計，沒有用支柱，操作難度小。另外，在計算時起點均為O點，從而降低了計算難度，也不需要測出小球的直徑，明顯要容易得多。

二、導軌與斜面相結合，綜合平拋知識運用

選取兩個體積相同、質量不等的小球，按下述步驟做了以下實驗：

（1）用天平測出兩個小球的質量分別為m1和m2，且m1>m2。

（2）按照圖2所示的實驗裝置，將斜槽AB固定在桌邊，使槽末端點的切線水平，將一斜面BC連接在斜槽末端。

（3）先讓小球m1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下（此時不放小球m2），記下小球在斜面上的落點位置。

（4）將小球m2放在斜槽前端邊緣處，讓小球m1從斜槽頂端A處自由滾下，使它們發生碰撞，記下兩球在斜面上的落點位置。

（5）用刻度尺量出各個落點位置到斜槽末端點B的距離，圖中D、E、F點是記下的小球在斜面上的幾個落點位置，到B點的距離分別為LD、LE、LF。小球m1與m2發生碰撞后，m1的落點是圖中的D點，m2的落點是圖中的F點。

分析：設小球從B點水平射出時的速度為v，落點位置到斜槽末端點B的距離為L，由平拋知識可得：Lcosθ=vt，Lsinθ=■gt2消去t，可得L=■

所以，速度v與■成正比。

用測得的物理量表示，只要滿足關系式m1■=m1■+m2則說明碰撞中動量守恒。

實驗反思：本實驗在操作時創新設計出斜面方案，沒有用支柱，操作難度小。另外，進行平拋知識的復習與運用，拓寬視野，培養能力。

三、斜面結合打點計時器

圖3所示為用打點計時器驗證動量守恒定律的實驗裝置，在小車A的前端粘有橡皮泥，推動小車A使之做勻速直線運動，然后與原來靜止在前方的小車B相碰并粘合成一體，繼續做勻速直線運動。小車A后連著紙帶，電磁打點計時器的電源頻率為50 Hz，長木板下墊著小木片用以平衡摩擦力。

（1）若已得到打點紙帶如圖4所示，并將測得各計數點間距標在圖上，A為運動起始點，以BC段計算小車A的碰前速度vA，以DE段計算A和B碰后的共同速度v共。

（2）若已測得小車A的質量m1、小車B的質量m2，那么碰撞前后兩小車的總動量均可計算出來，從而驗證動量是否守恒。

實驗反思：本實驗在操作時創新設計出運用打點計時器測出碰撞前后的速度，測量精度有所提高。

四、碰撞與圓周運動結合

如圖5所示裝置驗證動量守恒定律，用輕質細線將小球1懸掛于O點，使小球1的球心到懸點O的距離為L，被碰小球2放在光滑水平桌面上的B點。將小球1從右方的A點（OA與豎直方向的夾角為α）由靜止釋放，擺到最低點時恰與小球2發生正碰，碰撞后，小球1繼續向左運動到C位置（OC與豎直方向夾角為θ），小球2落到水平地面上，落點D到桌面邊緣的水平距離為s。

（1）實驗中測得上述物理量中的θ、α、L、s以及小球1的質量m1和小球2的質量m2，以及桌面高度h。

（2）用測得的物理量結合已知物理量分別表示碰撞前后小球1的動量：p1、p1′；再用物理量表示碰撞前后小球2的動量：p2、p2′，則：p2=0；p1=m1■；p1′=m1■；p2′=m2s■。代入數據計算出碰撞前后系統的動量之和，從而驗證動量是否

守恒。

實驗反思：本實驗在操作時創新設計出運用單擺擺動角度計算出碰撞前后兩個物體的速度，拓寬了學生視野，鍛煉了學生思維，提高了學生綜合運用知識的能力。

編輯 任 壯