“動量守恒定律”實驗教學和解題應用探究

動量守恒定律是物理學中的基本定律之一，它描述了在沒有外力作用或外力作用遠小于內力作用的情況下，一個封閉系統中物體動量的總和保持不變.在高中物理教學中，通過實驗驗證動量守恒定律不僅能夠加深學生對該定律的理解，還能培養他們的實驗技能和科學探究能力.本文將結合人民教育出版社高中物理教材中的相關知識，探討動量守恒定律的實驗教學方法及其解題應用.

1 教案解析

1. 1 教學目標

通過動量守恒定律的教學，學生應達到以下目標：（1）了解動量守恒定律的內容；（2）掌握動量的計算方法和單位；（3）理解動量守恒定律的證明過程和應用范圍；（4）運用動量守恒定律解決物理問題.

1. 2 教學內容

（1）動量守恒定律的基本概念；（2）動量的定義和計算方法；（3）與動量守恒定律相關的碰撞情景，如彈性碰撞的基本概念；（4）動量守恒定律的證明過程；（5）動量守恒定律的應用實例.

1.3 教學方法

在教學過程中，應采用多種教學方法，以激發學生的學習興趣和探究欲望.

（1）引人.通過舉一些常見的物理現象，如汽車碰撞、滑冰運動員的相互推揉等，引導學生了解動量的概念；（2）演示實驗.利用簡單的實驗裝置，如小車碰撞實驗、彈簧碰撞實驗等，直觀展示動量守恒的過程；（3）課堂講解.詳細講解動量守恒定律的原理、證明過程及應用范圍，注重啟發學生思考，鼓勵他們提出問題；（4）練習與應用：通過例題和實際應用題，檢驗學生對動量守恒定律的掌握情況，培養他們的解題能力和應用能力.

2 實驗教學

（1）實驗目的： ① 通過實驗驗證動量守恒定律；② 培養學生的實驗設計、操作和數據分析能力； ③ 加深對動量、沖量等物理概念的理解.

(2）實驗器材： ① 氣墊導軌（含數字計時器）； ② 滑塊兩個（質量可測）； ③ 天平、彈簧片、細繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等； ④ 斜槽、小球兩個（用于備選實驗）； ⑤ 白紙、復寫紙、圓規等（用于備選實驗）.

（3）實驗原理與設計

方案1 利用氣墊導軌完成一維碰撞實驗（如圖1所示）.① 測質量：用天平測出兩個滑塊的質量 m₁ 和 m₂ ：② 安裝：正確安裝氣墊導軌和數字計時器，確保導軌水平.③ 實驗：接通電源，利用數字計時器測出兩滑塊在各種情況下碰撞前后的速度.通過改變滑塊的質量、初速度大小和方向，測量多次數據.④ 驗證：根據測量數據，計算碰撞前后的總動量，驗證動量守恒定律.

方案2 利用斜槽滾球完成一維碰撞實驗（如圖2所示）.

① 測質量：用天平測出兩個小球的質量.

② 安裝：調整固定斜槽，使其底端水平.在斜槽末端鋪上白紙和復寫紙.

③ 實驗：不放被撞小球時，讓人射小球從斜槽上某固定高度處自由滾下，重復實驗，標出入射小球落點的平均位置 P .然后放上被撞小球，重復實驗，標出碰撞后入射小球和被撞小球的落點平均位置M 和 N ：

④ 驗證：連接 ON ，測量線段OP、OM、ON的長 度.代人動量守恒的表達式進行驗證.

（4）實驗步驟與數據處理.

步驟：按實驗方案合理安排實驗步驟，包括測量質量、安裝裝置、進行碰撞實驗、測量碰撞前后的速度等.

數據處理：根據測量數據，計算碰撞前后的總動量，并進行比較.在氣墊導軌實驗中，可以利用速度公式 為擋光片寬度，t為擋光片經過光電門的時間）來計算速度.在斜槽滾球實驗中，可以利用水平方向的位移來表示速度.

（5）注意事項與誤差分析.

注意事項：確保碰撞為一維碰撞，調整氣墊導軌水平，平衡摩擦力等.

誤差分析：系統誤差主要來源于裝置本身是否符合要求，如碰撞是否為一維、實驗是否滿足動量守恒的條件等.偶然誤差主要來源于質量、速度或水平射程的測量誤差.

3解題應用

3.1 子彈擊穿木球問題

典例1木球靜置于水平支架上，質量為 Σ_m 的子彈以初速度 v₀ 豎直向上擊中質量為 M 的木球，子彈擊穿木球后，還能上升的高度為 h .求木球能上升的最大高度 H ：

解析 子彈擊中木球過程中，系統所受合外力不為零，但子彈與木球間的作用力遠大于外力，且作用時間很短，因此系統動量近似守恒.設子彈擊穿木球后速度為 v₁ ，木球速度為 v₂ ，由動量守恒定律得： ，由豎直上拋的規律得：對子彈：0-v₁²=-2gh （以向上為正方向)；對木球： 0- v₂²=-2gH .解得

3.2 人車相互作用問題

典例2光滑水平面上，有一輛平板車質量M=540kg ，車上站著一人，質量為 m=60kg. 車和人一起以速度 O₀ 運動，現在人以相對于車的速度u=2m/s 向后水平跳出.求人跳出后，車速增加了多少？

解析人和車系統水平方向動量守恒.設車速增加 Δv ，則人起跳前車速為 O₀ ，跳起后車速為 v₀+ v ；人對車的速度為 u ，人對地速度為 v₀-u （因為人向后跳)．由動量守恒定律得： (M+m)υ₀= M(v₀+Δv)+m(v₀+Δv-u) ，解得 540+60m/s=0.2m/s，即車速增大了0.2m/s.

3.3 解題技巧與策略

（1）明確研究對象.在應用動量守恒定律時，首先要明確相互作用的物體為研究對象.

（2）分析受力情況.分析系統受外力情況，確定系統動量是否守恒.這是應用動量守恒定律的前提.（3）選擇參照系.在列動量守恒方程時，必須選擇同一參照系，通常選地面為參照系.注意方向性：動量守恒定律是矢量方程，要注意速度的方向性.在解題時，可以規定正方向，將速度轉化為代數進行計算.（4）利用替代法.在某些情況下，可以利用替代法找到速度對應的水平方向的位移或時間的平均值，從而簡化計算過程.

4結語

通過實驗驗證和解題應用，我們可以深刻理解和掌握動量守恒定律.實驗教學不僅能夠培養學生的實驗技能和科學探究能力，還能加深對物理概念的理解.而解題應用則能夠幫助學生將理論知識應用于實際問題中，提高他們的解題能力和物理素養.因此，在高中物理教學中，應注重動量守恒定律的實驗教學和解題應用訓練.