“實驗探究碰撞中的不變量”幾個注意點和應(yīng)對措施

居 津 劉 鯤

（1.江蘇省蘇州實驗中學(xué)，江蘇 蘇州 215011；2.蘇州工業(yè)園區(qū)東沙湖學(xué)校，江蘇 蘇州 215000）

筆者有幸參加了2013年蘇州市的評優(yōu)課比賽：實驗探究碰撞中的不變量.因此和同事一起對高中物理選修3 5中有關(guān)于探究碰撞中的不變量實驗進(jìn)行了一次深入的研究.筆者發(fā)現(xiàn)如果要讓學(xué)生實驗探究碰撞中的不變量，唯有用氣墊導(dǎo)軌才能全面反映各種典型碰撞.而使用DISLAB可以大大提高課堂效率，使學(xué)生真正在課堂上探究出各種典型碰撞中的不變量.筆者在實驗過程中發(fā)現(xiàn)有以下幾個問題是影響實驗結(jié)果的重要因素.

1 氣墊導(dǎo)軌的調(diào)平問題

氣墊導(dǎo)軌是本次實驗最重要的實驗器材，對氣墊導(dǎo)軌的調(diào)平需要反復(fù)地調(diào)節(jié)平衡旋鈕，反復(fù)地利用滑塊進(jìn)行測試，需要比較長的時間.一旦調(diào)平后，氣墊導(dǎo)軌便不可以再移動.筆者也在這個環(huán)節(jié)花費了時間.正常情況下氣墊導(dǎo)軌在調(diào)節(jié)的過程中，如果導(dǎo)軌不水平，滑塊應(yīng)該處于加速或減速狀態(tài).但是筆者在調(diào)節(jié)過程中，利用DISLAB光電門顯示滑塊速度卻是時而加速，時而減速，非常不穩(wěn)定，讓人感覺非常疑惑，連續(xù)測試幾個導(dǎo)軌，或多或少都有這種情況出現(xiàn).通過與同行教師的交流，發(fā)現(xiàn)這個問題還是比較普遍.

造成這種現(xiàn)象的原因只有一個，即氣墊導(dǎo)軌本身不平.那為什么會出現(xiàn)這樣的情況呢？早期的氣墊導(dǎo)軌非常笨重，出廠的時候經(jīng)過嚴(yán)格的檢測，是比較標(biāo)準(zhǔn)的.但在使用后存放過程中，導(dǎo)軌兩邊的支點起到了支撐的作用，而中間卻是懸空的，由于導(dǎo)軌本身重力的作用，使得其中部下彎，而形成了肉眼難以察覺的“U”型.有些導(dǎo)軌存放的時候中部可能有了支撐，但由于支撐的點比較少，而導(dǎo)軌相對較長，故形成有支撐的地方高，沒有支撐的地方低的情況，變成的“W”型（如圖1）.這種氣墊導(dǎo)軌有3處有支撐，這3個有支撐處在調(diào)試過程中就比其他部分要略高.雖然氣墊導(dǎo)軌下凹上凸的程度是比較小的，但在實驗中，由于滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦力比較小，而DISLAB光電門是精密儀器，所以造成的影響相對來說就比較大了.

圖1

鑒于以上這種情況，建議在氣墊導(dǎo)軌的儲存過程中，最好能夠使得氣墊導(dǎo)軌的每一部分都能夠有支撐物的支撐，或者對導(dǎo)軌的支撐點能夠盡可能的多，這樣才能更好地保證導(dǎo)軌自身的平整性，以減小誤差.

實驗時氣墊導(dǎo)軌已經(jīng)彎曲了，那有沒有辦法能將這個問題所帶來的影響減小呢？筆者采用調(diào)整光電門的距離來解決.

2 光電門的間距問題

在探究碰撞中的不變量實驗中，測量滑塊碰撞前后速度是本實驗的關(guān)鍵.它的準(zhǔn)確與否，直接影響實驗的成敗.筆者采用DISLAB光電門計時以測定滑塊速度.開始筆者將光電門隨意放置在氣墊導(dǎo)軌上的任意2個位置，如果在一個絕對水平的氣墊導(dǎo)軌上是不會有什么影響的，但筆者實驗后發(fā)現(xiàn)誤差相當(dāng)大.

大家都知道動量守恒發(fā)生在2個滑塊碰撞的瞬間，所以需要測量的是碰撞前后的瞬時速度，因此2個光電門的擺放位置最好在碰撞點附近.如果是絕對水平的氣墊導(dǎo)軌，碰撞前后滑塊都做勻速直線運動，那對測量也沒有影響，但是如果導(dǎo)軌出現(xiàn)變形的問題，勢必誤差會很大.

光電門所放位置應(yīng)盡量靠近碰撞點.當(dāng)然，也不是越小越好，它必須滿足能夠同時容納2個滑塊及擋光片在其中.由于光電門距離相對較短，所以如果整段導(dǎo)軌如果不是十分平整也無大礙，我們可以選取相對較平整的一段進(jìn)行碰撞實驗的探究.

注意事項：（1）實驗時必須保證運動滑塊的擋光片在完全通過第一個光電門之后才能與另一滑塊相撞，這樣才能使擋光片準(zhǔn)確測算出遮擋時間，從而算出碰撞前的速度.否則，所測速度并非是碰前速度，實驗誤差將會非常大.（2）由于光電門之間的距離即2個滑塊碰撞的范圍，正是由于這個距離相對較小，故對實驗人員的操作要求也就相應(yīng)提高.探究碰撞中的不變量有4個典型碰撞實驗：即一滑塊碰靜止等質(zhì)量另一滑塊（碰后交換速度）；質(zhì)量大的滑塊碰質(zhì)量小的靜止滑塊（碰后質(zhì)量大的滑塊速度幾乎不變，質(zhì)量小的滑塊速度較大）；質(zhì)量小的滑塊碰靜止質(zhì)量較大滑塊（碰后質(zhì)量小的滑塊反彈）；質(zhì)量不等的兩滑塊相向碰撞.實驗中如果是測量2個滑塊相向碰撞，難度會比較大，比較難以保證2個滑塊的擋光片都能夠通過各自的光電門后再進(jìn)行碰撞，這需要在實驗中找感覺，尋找恰當(dāng)?shù)某跛俣?，多試幾次，得到需要的實驗?shù)據(jù).

3 擋光片的寬度問題

在配套的實驗器材中，有各種不同的擋光片.有的是1個擋片，有的是2個擋片.1個擋片的還有不同的寬度.最窄的擋光片寬度為2cm，最寬的有8cm.本探究實驗中應(yīng)選用何種類型的擋光片能使實驗誤差最小呢？

圖2

圖3

如果我們仔細(xì)觀察光電門，就會發(fā)現(xiàn)光電門上有2個端口，一個是發(fā)射端（發(fā)出激光或紅外線），一個是接收端.在使用的過程中，發(fā)射端持續(xù)發(fā)射光波，如果擋光片介于發(fā)射端和接收端之間，便遮擋了光波.此時，系統(tǒng)便開始計時.一般情況下，光電門在計時的時候分為2種模式，第1種采用的是如圖2中的擋光片.當(dāng)擋光片的第1條擋光條（視左邊為第1擋光條）遮擋光波時開始計時，第2個擋光條遮擋光波時停止計時，那么擋光片的有效長度可視為第1個擋光條的左邊緣到第2個擋光條的左邊緣之間的長度.計算該距離與時間的比值，就得到了滑塊移動的速度.第2種采用的是如圖3的擋光片.當(dāng)擋光片遮擋光波時開始計時，停止遮擋時停止計時.則擋光片的長度即為圖示長度.利用該長度計算其與測量時間的比值，便得出了滑塊移動的速度，理想情況下這2種方式看起來形式不同，且效果應(yīng)該是一致的.但在氣墊導(dǎo)軌的實驗中，我們往往采用的是第1種擋光片而不采用第2種擋光片.這是為什么呢？如果我們仔細(xì)觀察光電門，我們會發(fā)現(xiàn)光電門的發(fā)射端和接收端是2個遙相呼應(yīng)的小圓孔，沒有擋光片的時候，發(fā)射端發(fā)出的光波理所應(yīng)當(dāng)?shù)臅M(jìn)入到接收端中，如果此時擋光片出現(xiàn)在圓孔部位，從圓孔一端移動到另一端的過程中，接收端接收的光波是逐漸減弱的，當(dāng)減弱到一定程度時，光電門就會發(fā)出改變計時狀態(tài)的信號.反之，當(dāng)擋光片離開光電門時，接收端接收的光波是逐漸增強(qiáng)的，當(dāng)增強(qiáng)到一定程度，光電門也會發(fā)出改變計時狀態(tài)的信號.由于光電門的制作工藝問題，每一個光電門發(fā)出開始計時信號和停止計時信號時被遮擋的光強(qiáng)程度是不一樣的，所以當(dāng)采取第2種方式時便可能出現(xiàn)比較大的誤差.例如，當(dāng)1個光電門在被遮擋一半時開始計時，而在被露出停止計時，這樣滑塊實際移動的距離便是擋光片的長度與之和，而代入系統(tǒng)的長度僅僅是擋光片的長度，由此產(chǎn)生了誤差（如圖4）.若采用第1種方式便沒有以上問題，同一個光電門總是在被遮擋相同程度來改變計時狀態(tài)，誤差便大大減小.

圖4

筆者采用的DISLAB內(nèi)置編程第2種擋光片來計時的，故須解決如何在利用第2種擋光片計時的過程中減小誤差.方法是加寬擋光片的寬度，讓擋光片通過光電門的時間相對變長，這樣在絕對誤差不能改變的情況下能夠減小相對誤差，達(dá)到減小誤差的目的.但是如果擋光片過于太寬的話，也勢必帶來增加兩光電門之間距離的問題.所以建議所用擋光片寬度在6～8cm就可以了（如圖5）.

圖5

4 氣孔的密集程度和滑塊移動的問題

如果仔細(xì)觀察實驗，會發(fā)現(xiàn)在實驗中，有時滑塊在運動過程中會有所晃動.所以滑塊的移動是否順暢也是左右實驗是否成功的關(guān)鍵，移動平順的滑塊與滑軌的阻力達(dá)到最小，對實驗結(jié)果的影響也就達(dá)到了最小.

圖6

我們知道，導(dǎo)軌的氣孔越密集，對有一定寬度的滑塊受力就越均衡，移動就能夠越順暢.但是我們也不能片面地增加氣孔的數(shù)量，因為在氣泵功率較小的情況下，氣孔多了，氣壓降低，很可能托不起滑塊，造成實驗失敗.而且廠制的導(dǎo)軌也不允許改變氣孔的密集程度.圖6展示了所用氣墊導(dǎo)軌的氣孔密集程度，顯然比較稀疏.實驗時當(dāng)滑塊運動到兩氣孔之間時有輕微的上下顛簸左右晃動.那如何避免滑塊在運動過程中來回擺動的問題呢？

建議：（1）在滑塊的配重上下功夫.滑塊滑動的平穩(wěn)，重心應(yīng)該盡量的低，并且處于滑塊的幾何中心處.在實驗中應(yīng)盡量保證滑塊左右配重對稱，擋光片也應(yīng)盡量安裝在滑塊正中間而非滑塊的一側(cè)，以免造成滑塊重心的偏移.但是配重也不能太多，在氣孔較少、氣泵功率較小的情況下，如果配重太重很可能會出現(xiàn)不能讓滑塊浮起的現(xiàn)象.這也需要在實驗中仔細(xì)觀察滑塊的運動情況決定最后需要加多少配重.（2）推動滑塊的方法和位置也十分關(guān)鍵.一般情況下，很多的學(xué)生是直接用手隨意地去推動滑塊.這樣做有一個弊端即導(dǎo)致滑塊受力不均勻.用手直接推動的過程中，除了會給滑塊一個向前的力之外，還可能會有一個向其他方向的分量.在這個分力的作用下，滑塊會發(fā)生抖動，造成運動順暢度欠佳，影響實驗結(jié)果.所以筆者建議用一根直尺緊貼導(dǎo)軌的梁輕輕推動滑塊來代替手推滑塊，使滑塊向前移動（如圖7）.

圖7