動量守恒定律驗證實驗探究

黨占財

【摘要】本文探究高中物理中動量守恒定律的驗證實驗，通過一道高考模擬題的實驗操作，來分析總結問題進而解決問題，從而達到激發學生創新意識，切實提升解決實驗問題的能力之目的.

【關鍵詞】高考物理；動量守恒定律；實驗教學

實驗在高考中占有重要的地位，實驗考查目的是培養學生科學意識、探究意識，并在實驗過程中通過觀察發現問題、提出問題，進行合理的猜想，從而能準確表述、評估和反思探究過程與結果.高考已經將動量守恒定律的驗證實驗列為必考實驗，所以本文以一道高考模擬題的實驗操作入手，對動量守恒定律的實驗予以驗證探究.

1 實驗基本操作

實驗用具 天平一臺（附砝碼）、圓規一個、重垂線一條、兩個小球（大小相同、質量不等）、斜槽裝置、白紙、復寫紙、刻度尺.

實驗目的 利用斜槽驗證動量守恒定律.

實驗手段 利用斜槽上滾下的小球驗證動量守恒定律.

實驗過程 運用斜槽上滾下的小球通過碰撞驗證動量守恒定律.

（1）測質量：用天平測量兩個小球的質量，并將質量較大的記為m入射，質量較小的記為m被碰，即m入射>m被碰.

（2）安裝并調整裝置：按要求安裝好實驗裝置，將斜槽固定在桌邊，使斜槽的末端處于水平位置，把被碰小球放在斜槽前邊的小支柱上，調節實驗裝置使兩小球碰撞時處于同一水平，并確保碰撞后的速度方向水平.

（3）鋪紙：在固定位置鋪好白紙、復寫紙，把白紙鋪放在復印紙的下面并固定好.

（4）記錄位置：在白紙上記下重垂線所指的位置O，它表示入射小球碰撞前的球心位置.

（5）調整平均位置點：先不放被碰小球，第一次讓入射小球從斜槽上從一個固定的位置點自由滾下，以此類推，用這種方法滾下第2次、第3次、第4次、第5次、第6次，多次實驗后，用圓規畫出最小的圓，把實驗小球各個落點圈到里面，找到圓心.

（6）實驗操作：如1甲圖所示，選用半徑相同的A、B兩個小球，通過兩個小球碰撞，達到動量守恒定律的驗證.在實驗過程中，讓質量為m1的A球從斜槽上一個最高的位置點自由滾下，首先進入水平軌道，隨后從軌道末端水平拋出，落到提前鋪設在水平地面的復寫紙上，顯然在下面的白紙上留下痕跡.以此類推，用這種方法滾下第2次、第3次、第4次、第5次、第6次，顯而易見，6次實驗得到6個落點位置的印痕.然后把質量為m2的B球，放置在水平軌道的末端，讓A球從固定的位置C由靜止自由滾下，A球和B球發生碰撞后，在白紙上留下A球、B球各自的落點印痕，用這種方法重復操作6次.如1乙圖所示，O點是重垂線的位置，M，P，N為三個落點的平均位置，未放B球時，A球的落點是P點.

2 實驗說明

（1）該實驗中，為了避免出現誤差，選用兩個小球，并且它們的質量要求應該是 m入射>m被碰；

（2）在實驗過程中，把6個落點用圓規畫出的半徑最小的圓圈起來，所畫圓的圓心即為小球落點的平均位置；

（3）在本實驗中，所有落點平均位置一個記為M，一個記為N，可以看到M點、N點大致與OP在同一條直線上，此時用刻度尺測量出三條線段OM，OP，ON各自的長度.在正常情況下，如果滿足關系式m1·OP=m1·OM+m2·ON，那么我們得出結論，即兩球碰撞前、后總動量守恒（在OP方向上）；如果碰撞是彈性碰撞，且滿足m1·OP2=m1·OM2+m2·ON2；

（4）用刻度尺測出的OP的長度，它與實驗所用小球的質量無關；用刻度尺測出的OM、ON的長度，這兩個長度與實驗所用小球質量相關.

3 總結分析

（1）本次實驗選取入射球質量大于被碰球質量，即m入射>m被碰，其目的可以有效防止入射球碰后出現反彈的可能性.

（2）本次實驗誤差允許的范圍內，如果滿足m1·OP=m1·OM+m2·ON，則可認為兩球碰撞前、后在OP方向上的總動量守恒.

（3）本次實驗受各種因素影響，出現一些情況，如出現小球的落點比較集中的現象.

（4）若兩球相碰前、后總動量守恒（在OP方向上），則有m1v0=m1v1+m2v2，又OP=v0t，OM=v1t，ON=v2t，代入得m1·OP=m1·OM+m2·ON.

（5）如圖2所示，連接OP、連接OM、連接ON，作M在OP方向上的投影點M′，再作N在OP方向上的投影點N′；分別測量出OP、OM′、ON′的長度.若在實驗誤差正常情況下，滿足m1·OP=m1·OM′+m2·ON′，則可以認為兩小球碰撞前、后在OP方向上動量守恒.

4 要點強調

（1）碰撞的兩物體應保持水平并發生正碰.

（2）特別強調：

①入射小球每次都從斜槽的某一固定位置滾下.

②m入射>m被碰.

③留跡法畫出最小圓找圓心得平均位置.

（3）誤差分析

①保證碰撞必須為一維碰撞.

②實驗必須滿足動量守恒的條件（如軌道末端是否水平）.

③小球落點的確定.

④質量和位移的測量.

5 注意事項

（1）若利用斜槽進行實驗，斜槽的末端一定要水平.

（2）若利用斜槽進行實驗，入射球質量要大于被碰球質量，這樣可防止碰撞后入射球反彈，且兩球半徑要相等，確保對心正碰.

（3）本實驗運用轉換法，將對小球做平拋運動的初速度的測量轉換成對小球做平拋運動的水平位移的測量.

（4）白紙、復寫紙在固定位置鋪放好不能做任何挪動.

參考文獻：

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