高中物理驗證動量守恒定律實驗方案設計研究

李海斌

守恒思想是物理學研究的重要思想，物理學家總是在不斷探索我們生活中的不變量。通過動量守恒定律能夠解釋我們生活中的很多問題，例如宏觀物體組成的體系、兩個物體組成的系統以及多個物體組成的系統。當系統受到的合外力是零或不受外力作用情況下，那么該系統動量守恒。高中階段對動量守恒定律的驗證主要是基于一維碰撞模型，兩物體動量守恒的一般表達式是m1v1+m2v2=m1v'1+m2v'2，其中m1、m2表示兩物體的質量，v1、v2表示兩物體的初速度，v'1、v'2表示兩物體的末速度。根據速度測算方法的不同又可以分為打點計時器法、氣墊導軌法等。下面將梳理實驗方案，小結注意事項并提出優化方案建議。

一、打點計時器法

1.實驗方案：如圖1-1所示，裝有打點計時器的長木板-小車裝置是高中物理中的經典實驗儀器，可以用于研究勻變速直線運動，分析物體加速度和質量以及合外力之間的對應關系，驗證機械能守恒等，將其稍加改裝成如圖1-2所示的裝置，進而能夠針對動量守恒定律進行驗證，具體方法步驟便是將打點計時器固定在一個長木板上面，借助紙帶將其和小車1連接。推動小車1撞擊木板另外一端，同時將紙帶和打點計時器連接，然后將其綁在小車1上面。讓處于運動狀態下的小車1和處于靜止狀態的小車2進行碰撞，將橡皮泥和撞針安裝在碰撞的小車上一起運動。借助紙帶針對小車發生碰撞前后兩個狀態下的速度進行測試，碰撞前后小車速度分別是v1和v'1，托盤天平稱量兩小車的質量分別是m1、m2，在誤差勻速的范圍內，驗證m1v1=（m1+m2）v'1是否成立，就可實現驗證兩小車構成的系統動量是否守恒的目的。

2.改進建議：該方案只能驗證完全非彈性碰撞情景，但是因為模板并非屬于完全理想的光滑狀態，且紙帶和打點計時器之間存在摩檫力，故而導致實驗存在較大誤差。實驗中可適當增大兩小車的質量或增大小車1的初速度，從而減小實驗誤差。

二、氣墊導軌法

1.實驗方案：氣墊導軌是高中物理常用的實驗儀器之一，它利用氣泵使導軌上的小氣孔噴氣，軌道和滑塊之間形成氣墊，從而使得滑塊懸浮于軌道之上，滑塊運動時可視為不受阻力。如圖2-1所示，利用與氣墊導軌配套的光電門計時器可以測算兩個滑塊碰撞前后的速度。基本原理便是借助刻度尺針對滑塊上對應擋光片寬度進行測量，即得到？駐x，借助光電門計時器針對擋光片經過光電門的時間進行測試，即？駐t，借助公式v=針對滑塊速度進行計算。測出兩小車碰撞前的速度v1、v2和兩小車碰撞后的速度v'1、v'2，用托盤天平稱量兩小車的質量分別是m1、m2，在誤差勻速的范圍內，驗證m1v1+m2v2=m1v'1+m2v'2是否成立，就可達到驗證兩小車構成的系統動量是否守恒的目的。

2.改進建議：該方案中選用寬度較窄的擋光片，測算出的速度將更精確。相較于打點計時器法，該方案可基本消除摩擦力的影響，減小實驗誤差，實驗前要注意調節氣墊導軌水平。對滑塊稍作改裝，還可驗證三種不同碰撞類型中的動量守恒。圖2-1中兩滑塊為非彈性碰撞，如在兩滑塊相碰的端面裝上橡皮筋可實現彈性碰撞（如圖2-2）。將橡皮泥和撞針分別安裝在滑塊碰撞端，具體參見下圖2-3，當滑塊經過碰撞后組成整體，并且進行運動，進而能夠實現非彈性碰撞，將尼龍魔術貼安裝在兩個滑塊上同樣可以實現此效果。

責任編輯 王思靜