動(dòng)量守恒定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)

韓 哲　張 璇

(唐山學(xué)院　河北 唐山　063000)

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動(dòng)量守恒定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)

韓 哲張 璇①

(唐山學(xué)院河北 唐山063000)

驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律實(shí)驗(yàn)中要求兩個(gè)滑塊的水平初速度相差較大，上述要求對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)操作難度較大，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的裝置是利用單擺擊打滑塊,使滑塊獲得相差較大的水平初速度，解決了操作難度大的問(wèn)題,并且減小了實(shí)驗(yàn)誤差.

驗(yàn)證動(dòng)量守恒教學(xué)改進(jìn)

根據(jù)動(dòng)量守恒定律，若系統(tǒng)不受外力或所受外力的矢量和為零，則系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變[1].氣墊導(dǎo)軌利用從導(dǎo)軌表面噴出的壓縮空氣，在導(dǎo)軌與滑塊間形成空氣薄膜(即氣墊)，使滑塊懸浮在導(dǎo)軌面上，在水平氣墊導(dǎo)軌上的兩個(gè)物體，由于氣墊的漂浮作用，物體受到的摩擦力可以忽略不計(jì)[2].這樣，當(dāng)兩物體發(fā)生撞碰時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)量守恒，碰撞前后的總動(dòng)量相等.所以驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)在氣墊導(dǎo)軌上進(jìn)行，以保證碰撞系統(tǒng)所受外力的矢量和為零.選取兩個(gè)質(zhì)量相等的滑塊，設(shè)m1=m2=m，分別給兩滑塊施力使其獲得初速度，且相向運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞，通過(guò)兩個(gè)光電門記錄兩滑塊的初速度分別為v11,v21，碰后兩個(gè)滑塊通過(guò)兩光電門的速度分別為v12,v22.則根據(jù)動(dòng)量守恒定律有

m1v11+m2v21=m1v12+m2v22

實(shí)驗(yàn)要求兩滑塊受力大小相差較大，從而保證它們獲得相差較大的水平初速度，以減小實(shí)驗(yàn)誤差.但由于學(xué)生缺乏操作經(jīng)驗(yàn)，難以控制施力大小，不能保證兩滑塊初速度相差較大；而且不能保證給滑塊水平施力，施力的方向經(jīng)常向下傾斜，會(huì)導(dǎo)致滑塊劃蹭氣墊導(dǎo)軌，增加摩檫阻力，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大.

為了解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備中存在的諸多缺陷，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，可以得到比較精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示.

圖1　驗(yàn)證動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

如圖1所示，在氣墊導(dǎo)軌3的兩端通過(guò)梁架9分別安裝有懸臂梁1，懸臂梁上設(shè)置有套管8，單擺4通過(guò)套管8安裝在懸臂梁1上，量角器2與單擺4同心安裝在懸臂梁1上，在氣墊導(dǎo)軌3上，梁架9內(nèi)側(cè)分別安裝有兩個(gè)光電門6，光電門6與電腦計(jì)數(shù)器7相連接.另外單擺4的擺臂具有一定的寬度，一般為2～3cm，這一寬度保證了單擺4只會(huì)延氣墊導(dǎo)軌方向做左右擺動(dòng)，不會(huì)發(fā)生前后轉(zhuǎn)動(dòng).還可以繼續(xù)改進(jìn)通過(guò)計(jì)算或?qū)崪y(cè)將量角器的角度換算成碰撞滑塊的初速度標(biāo)注在量角器2上.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用單擺擺錘擊打滑塊使其獲得初速度驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的方法，用單擺擺錘垂直擊打滑塊，既有效保證了滑塊初速度方向水平，又克服了摩擦阻力.安裝的同心量角器，使擊打滑塊擺錘的擺角成為已知.當(dāng)擺錘偏離平衡位置時(shí)，偏離的角度不同，滑塊碰撞前就會(huì)獲得不同的初速度，通過(guò)改變擊打滑塊擺錘的擺角，可以使滑塊獲得大小不同的初速度，大大減小了誤差，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、明了，便于學(xué)生理解掌握.

具體驗(yàn)證方法：

選取質(zhì)量相等的兩個(gè)滑塊m1=m2=m分別放在氣墊導(dǎo)軌3上、單擺4的內(nèi)側(cè)，將兩單擺的擺錘5偏離平衡位置一定角度(要求兩個(gè)擺錘偏離的角度相差較大)，將擺錘5釋放，則兩擺錘5分別擊打兩個(gè)滑塊，滑塊通過(guò)光電門6的速度由電腦計(jì)數(shù)器7記錄，左邊滑塊碰撞前的速度為v11，右邊滑塊碰撞前速度為v21，兩滑塊以上述初速度相向運(yùn)動(dòng)，在氣軌中間位置發(fā)生彈性碰撞后互相彈開(kāi)，分別測(cè)得左邊滑塊碰撞后速度為v12，右邊滑塊碰撞后速度為v22，則驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律如下[3].

計(jì)算碰撞前的動(dòng)量

p0=m1v11-m2v21

計(jì)算碰撞后的動(dòng)量

p=m2v22-m1v12

動(dòng)量差

Δp=p0-p

百分誤差

因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)裝置保證了兩滑塊初速度v11，v21方向水平且相差較大，即百分差E的分母很大，又克服了水平方向的摩擦阻力，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果百分誤差極小，在所需范圍之內(nèi)，則動(dòng)量守恒定律成立.

1李秀燕，呂玉祥，曲華,等，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京:科學(xué)出版社，2001.48～54

2李書(shū)光，胡松青，張令坦.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京:清華大學(xué)出版社，2008.101～109

3杜寧，邊靜.驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的幾點(diǎn)討論.中國(guó)教育技術(shù)裝備，2014(14) :125～127

ImprovementonExperimentTeachingofVerifyingLawofConservationofMomentum

HanZheZhangXuan

(TangshanUniversity,Tangshan,Hebei063000)

Theconservationofmomentumexperimentrequirestwoslidingblockwhichhavelargedifferenceofinitialvelocity,butitisrelativelydifficultforthestudents,thispaperputsforwardusingpendulumstrucktheslidertosolvethisproblem,andreducetheexperimentalerror.

lawofconservationofmomentum;experimentteaching;improvement

①韓哲(1974-),女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

2015-12-18)