自制擺球碰撞探究儀探究碰撞中的不變量

董芳芳　梁忠

摘 要：人教版“實驗：探究碰撞中的不變量”一節中，教材提供了三種探究方案，本自制教具主要解決教材案例二中不容易保證對心碰撞、最大擺角不容易定位測量、碰撞前后瞬時速度計算繁瑣等問題.利用日常生活中的低成本材料設計實驗，鼓勵學生多動手、勤動腦，提升學生的物理核心素養.

關鍵詞：碰撞;探究;自制教具;等效速度盤

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）05-0061-03

作者簡介：董芳芳（1987-），女，江蘇鹽城人，碩士，中學一級教師，研究方向：高中物理學科教學;

梁忠（1966-），男，江蘇鹽城人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理實驗教學.

人教版《物理（選修3-5）》教材“實驗：探究碰撞中的不變量”，這節課的首要問題是實驗方案的確定.因為實驗方案是實驗設計的核心，也是培養學生探究能力的重要途徑.教師帶領學生依據實驗條件，通過比較、篩選器材進行實驗探究，從而展開教學活動.本節課的教學難點是一維碰撞中不變量的實驗探究，由于一維碰撞存在多種形式，再加上學生對不變量表達式的猜想較多，如何在一節課的教學時間內實現對不變量猜想的驗證，教師需要以啟發學生思維為切入點，以處理實驗數據為突破口，化解教學難點.教材提供了三種探究方案，我們選擇其中的參考案例二進行探究.

如圖1，把兩個小球用線懸掛起來，一個小球靜止，拉起另外一個小球，放下時它們相碰，只要測量小球拉起的角度和被撞小球擺起的角度，就可以根據機械能守恒定律算出擺球碰撞前后的速度，進而研究碰撞現象中的規律，去探究碰撞中的不變量.這一案例思路明了，現象有趣，學生也容易理解.但筆者實際操作起來卻發現要想實驗成功并不容易，一是很難保證兩球對心碰撞;二是小球的最大擺角也很難定位測量，還有碰撞前后的瞬時速度計算較為繁瑣等一系列問題.筆者針對實驗中遇到的問題對裝置進行了改進，自制了擺球碰撞探究儀（如圖2）.

1 制作材料與裝置

1.1 制作材料

資料夾、塑料筆芯、筆套、考試墊紙板、普通木工板、帶螺紋的金屬橫桿、螺母、鋼球、時鐘秒針、魚線、竹簽、鐵絲、502膠等.

1.2 裝置

2 難點克服與方案設計

2.1 一維碰撞的調節

通過移動橫桿上的螺母調節擺球上的雙線長度（如圖4），從而調整擺球的位置，易于實現一維碰撞.兩水平橫桿間距可調，方便更換不同質量的擺球（如圖5）.

2.2 最大擺角位置的定位

利用與擺球相連的帶檔針的連接桿帶動定位指針（如圖6），可方便確定擺球擺動的最大偏轉角度.圖6中從左至右3個定位指針分別記錄了入射球碰撞前、碰撞后和被碰球的最大偏轉角度.

2.3 速度刻度盤的調零

兩個由資料夾制作的刻度盤（如圖6）可以分別繞兩擺球的懸點轉動，方便校零，即讓兩擺球靜止時充當重垂線，使刻度盤的零刻度線與重垂線重合即可，不需要精確調節水平.

2.4 碰撞瞬間擺球速率的確定

同一組實驗中，兩擺球擺動半徑相同，驗證時只需確定速度與擺角的關系，可借助歐姆表刻度“思想”，將最大擺角對應為“等效速度”（如圖7，注意刻度不均勻），可使實驗驗證更快捷.

3 操作與效果

兩球碰撞前后的速度大小均可由等效速度盤直接讀出，由圖8所示，可讀出v1=6.3v0、v′1=1.5v0、v′2=6.4v0，擺球質量由天平測出，表2是實驗的數據記錄，平均實驗誤差約為6.7%.

4 教具亮點

本實驗材料易取，成本低，裝置設計精巧，突顯對原理的理解;帶檔針的連接桿與定位指針的配合，方便定位最大擺角位置;雙線擺、可調橫桿、可調螺母、重擺球易于實現對心正碰，滿足守恒條件;兩個獨立、可調節的刻度盤，降低了裝置的校零難度;運用“歐姆表刻度”思想，將最大擺角直接對應為速度，大大簡化了實驗的計算難度.本實驗的設計思想和理念為實驗優化提供了堅實的基礎.

5 誤差分析與改進設想

受制作工藝影響，本教具還存在一些不足之處，分析如下：

（1）各種阻力影響降低程度不夠.例如，定位指針轉動軸處、各部件連接處的摩擦，連接桿帶動定位指針時的撞擊以及整個裝置的振動.

（2）測量擺球擺動角度的指針定位存在不可忽視的系統誤差，尤其是入射球碰撞后存在明顯的系統誤差，改進方案如圖9所示.

（3）更換不同質量的擺球進行實驗時，由于球的半徑以及擺動半徑都會改變，需要進行相應的調節，過程比較繁瑣.因此，可以參照杠鈴的原理，制作質量可以調節的擺球（如圖10），將擺球兩側切去，通過增減配重片的方式來改變擺球的質量，而無需更換擺球.可以方便實驗，同時減小誤差.

6 結束語

新修訂的《普通高中物理課程標準（2017年版）》倡導利用日常用品改進實驗或開發新實驗.實驗課程資源不僅限于實驗室現有儀器和設備，日常用品、廢舊材料也是重要的實驗室資源.低成本、高質量的物理實驗可以使學生有更多動手實驗的機會，有更多親歷實驗演示的機會，更好地培養和發展學生的實驗技能、創新實踐能力.

參考文獻：

[1]顧江鴻，李春密.物理演示實驗探究化結構要素的建構[J].物理教師，2019，40（04）： 2-5+15.

[2]張維善.普通高中課程標準試驗教科書物理（選修3-5）[M].北京：人民教育出版社，2007.

（收稿日期：2020-11-10）