以一道實驗題為例談力學(xué)創(chuàng)新實驗題的處理方法

胡朝平

題目：如圖1所示，用碰撞實驗器可以驗證動量守恒定律，即研究A、B兩小球在軌道水平部分碰撞前后的動量關(guān)系。

（1）實驗中，直接測定小球碰撞前后的速度是不容易的，但是可以通過僅測量______，間接地解決這個問題。

A．小球A開始釋放時的高度h

B．A、B兩小球拋出點距地面的高度H

C．A、B兩小球做平拋運動的射程

（2）圖中o點是A、B兩小球拋出點在地面上的投影，實驗時先將質(zhì)量為m1的入射球A多次從斜軌上Q點由靜止釋放，找到其平均落地點的位置P，測量其做平拋運動的射程OP，然后把質(zhì)量為m2的被碰球B靜置于軌道的水平部分，再將入射球A從斜軌上Q點由靜止釋放，入射球A與被碰球B相撞，并多次重復(fù)。接下來要完成的必要步驟是

。

A.用天平測量兩個小球的質(zhì)量m1、m2：

B．測量小球A開始釋放時的高度^

C．測量A、B兩小球拋出點距地面的高度H

D．分別找到A、B兩小球相碰后平均落地點的位置M、N

E．測量A、B兩小球做平拋運動的射程OM、ON

（3）若A、B兩小球相碰前后的動量守恒，則其表達(dá)式可表示為____ ；如果A、B兩小球的碰撞是彈性碰撞，那么還應(yīng)滿足的表達(dá)式為_____ 。（均用（2）中測得的量表示）

思維點撥：在驗證動量守恒定律的實驗中，質(zhì)量易測，而測量瞬時速度較難。因此在落地高度不變的情況下，可以用水平射程來反映平拋初速度的大小，即可以通過測量小球做平拋運動的水平射程來間接測出速度，進(jìn)而利用質(zhì)量與水平射程的乘積來驗證動量守恒定律。

變式1：如圖2所示，用“碰撞實驗器”可以探究碰撞中的不變量。實驗時先讓質(zhì)量為m1，的入射球從斜槽軌道上某一固定位置S由靜止?jié)L下，從軌道末端O點水平拋出，落到與軌道O點連接的傾角為θ的斜面上。再把質(zhì)量為m2的被碰球放在斜槽軌道末端O點，讓入射球仍從位置S由靜止?jié)L下，與被碰球碰撞后，兩小球分別與斜面碰撞留下各自的落點痕跡。M、P、N為三個落點的位置。（不考慮小球在斜面上的多次碰撞）

（1）實驗中，直接測定小球碰撞前后的速度是不容易的，但是可以通過僅測量 _____ ，間接地解決這個問題。

A.小球開始釋放時的高度h

B．斜面的傾角θ

C．O點與各落點間的距離

（2）以下提供的測量工具中，本實驗必須使用的是（

）。

A．刻度尺

B．天平

C．量角器

D．秒表

（3）關(guān)于本實驗的下列說法中，正確的是（

）。

A.斜槽軌道必須光滑

B．斜槽軌道末端必須水平

C．為保證人射球碰后沿原方向運動，應(yīng)滿足入射球的質(zhì)量m1等于被碰球的質(zhì)量m2

（4）在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，若滿足關(guān)系式_____ ，則可以認(rèn)為兩小球碰撞前后的總動量守恒；若兩小球的碰撞是彈性碰撞，則還需滿足的表達(dá)式為_____ 。

思維點撥：在驗證動量守恒定律的實驗中，質(zhì)量易測，而測量瞬時速度較難。因為小球落在同一斜面上，所以只要測得O點與各落點間的距離，就可以間接地測出速度，進(jìn)而利用質(zhì)量與距離的乘積來驗證動量守恒定律。

解析：（1）小球做平拋運動落到斜面上，

（2）實驗中需要測量各落點到O點的距離，則需要用到刻度尺；實驗中還需要測量兩小球的質(zhì)量，則需要用到天平。

（3）斜槽軌道沒必要必須光滑，只要保證入射球到達(dá)軌道末端O點時的速度相同即可，選項A錯誤。斜槽軌道末端必須水平，以保證小球做平拋運動，選項B正確。為了保證入射球碰后沿原方向運動，應(yīng)滿足入射球的質(zhì)量m1大于被碰球的質(zhì)量m2，選項C錯誤。

變式2：（1）如圖3所示，在斜槽軌道末端與水平地面間放置了一個斜面，斜面的底端與O點（斜槽軌道末端在水平地面上的投影）重合。剛開始不放小球B，使小球A從斜槽上C點由靜止?jié)L下，然后在斜槽末端放上小球B，使小球A仍從C點由靜止?jié)L下，得到A、B兩小球在斜面上的落點M、P、N。用刻度尺測得斜面底端到M、P、N三點的距離分別為LOM、LOP、LON，用量角器測量出斜面的傾角為θ，用天平測量出小球A、B的質(zhì)量分別為m1、m2。僅利用以上數(shù)據(jù)能不能驗證兩小球在碰撞過程中的總動量守恒？若能，請用所測在物理量寫出驗證表達(dá)式；若不能，請說明理由。

（2）實驗小組成員小紅對（1）中裝置進(jìn)行了改造，改造后的裝置如圖4所示。先不放小球B，使小球A從斜槽上C點由靜止?jié)L下，再放上小球B，使小球A仍從C點由靜止?jié)L下，得到A、B兩小球在以斜槽軌道末端為網(wǎng)心的1/4圓弧上的落點M'、P'、N'。測量出斜槽軌道末端和M'、P'、N'三點的連線與水平方向之間的夾角分別為a1、a2、a3，測得小球A、B的質(zhì)量分別為m1、m2，則驗證兩小球在碰撞過程中動量守恒的表達(dá)式為_______。（用所測物理量的符號表示）。

思維點撥：驗證動量守恒定律的實驗中，質(zhì)量易測，而測量瞬時速度較難。根據(jù)平拋運動規(guī)律可知，可以用斜槽軌道末端和M'、P'、N'三點的連線與水平方向間的夾角a1、a2、a3表示小球做平拋運動的初速度v，進(jìn)而可以利用質(zhì)量和夾角的乘積來驗證動量守恒定律。

總結(jié)：在驗證動量守恒定律的實驗中，核心問題是如何測量小球碰撞前后的瞬時速度。在實驗設(shè)計時，可以根據(jù)平拋運動、自由落體運動、圓周運動、動能定理等知識進(jìn)行等效代換。

編者注：創(chuàng)新型實驗是近幾年高考實驗題的考查熱點，命題者會在實驗設(shè)計、實驗操作、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等方面進(jìn)行各種形式的創(chuàng)新，但是追溯其本質(zhì)，其實驗原理一定來源于教材中的基本實驗，因此只有將教材中的各種演示實驗、驗證性實驗和探究性實驗都爛熟于心，才能以不變應(yīng)萬變。同學(xué)們在復(fù)習(xí)教材中的基本實驗時，可以從以下幾個方面著手：第一，重視對實驗原理的記憶和理解，實驗原理是實驗的核心，實驗方法、實驗步驟、儀器選擇、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等其他問題都是從實驗原理中派生出來的，抓住了實驗原理這一核心，也就容易記憶和理解實際操作過程中的一些規(guī)定、要求和注意事項了。第二，實施歸類復(fù)習(xí)，實現(xiàn)觸類旁通，明確同一物理儀器在不同實驗中的具體應(yīng)用，比如利用打點計時器記錄的位置、時間，測定v、a、F、Ep、Ek等不同物理量，可以完成力學(xué)中的一系列實驗；理順同一物理實驗的不同完成方法，比如研究平拋運動，教材中給出的實驗方案就有三種。第三，重視實驗原理的理解和延伸，培養(yǎng)探究能力，針對高考實驗命題“不脫離教材又不拘泥于教材”的特點，可將教材中的基本實驗在內(nèi)容上進(jìn)行延伸討論，比如將研究勻變速直線運動延伸到測量速度、加速度的多種方法，將探究彈力和彈簧伸長量的關(guān)系延伸到研究彈簧壓縮或F -x圖像等，將驗證力的平行四邊形定則延伸到等效法、矢量的運算方法等，將驗證牛頓運動定律延伸到將不可測量量轉(zhuǎn)化為可測量量等。