机械能守恒定律及动量守恒定律演示仪器的制作

2014-07-03祝凤金李庚伟

大学物理实验 2014年3期

王宁，李铖，祝凤金，李庚伟

(中国地质大学，北京 100083)

物理实验是认知世界的一种重要方法，是研究科学问题的一种重要途径，更是理解抽象概念的一种重要手段。演示实验是物理教学的一种重要的教学手段，它不仅丰富了教学内容，而且能吸引学生的课堂注意力，有利于提高学生的学习兴趣及积极性。

1 演示仪器制作的想法来源

机械能守恒定律和动量守恒定律是物理学中两个重要的定律。机械能守恒定律指在只有重力或弹力对物体做功的条件下(或者不受其他外力的作用下)，物体的动能(包括转动动能和平动动能)和势能(包括重力势能、弹性势能)发生相互转化，但机械能的总和保持不变。其数学表达式为［1-9］

动量守恒定律指一个系统不受外力或所受外力之和为零，这个系统的总动量保持不变。其数学表达式为

在学习的过程中发现机械能守恒实验与动量守恒实验之间存在着一些共同的特点，可以利用这些特点将两个实验结合到一个实验仪器中，这样既减少了实验器材的使用，又可以将两个实验进行比较，在对比中使得两个实验各自的特点更为突出，从而达到实验效果明显、简单易懂的目的。通过演示实验对其进行验证有助于我们更深入地理解这两个定律，并提高我们的实验能力。

2 机械能守恒定律与动量守恒定律实验演示仪器制作

为了将两个实验更好的结合到一个实验中，本实验装置采用了双轨道实验的设计方案，即利用物体在轨道上的运动及碰撞情况，通过实验现象来感性的认识两实验的原理与不同。

该实验仪器的轨道在设计的过程中考虑到了制作工艺的可行性及实验的经费问题，采用了激光切割钢板的方式，通过两块钢板夹出一条轨道，仪器共用了四块钢板，使其可以夹出两条轨道。每块钢板上都打了数目相等的小洞，并通过铜钉进行固定，形成轨道。其中激光切割保证了轨道各方面设计数据的精确性;而以钢板为材料保证了轨道的坚固性。

轨道的设计是通过AutoCAD进行的，轨道全长127 cm，高560 cm，轨道总宽130 cm，其中，两条轨道分别宽30 cm。轨道的下滑坡度为37°，保证了斜面角度不至于太陡，减少了物体下落到底部平轨时，碰撞造成能量的过多损失。也不至于太缓，以致物体下落时，摩擦造成能量太多的损失。此外，斜轨与平轨由5 cm的圆弧连接，保证了轨道的平滑过渡。另一端圆弧轨的半径分别由25 cm、10 cm、50 cm依次递减。作为接收物体的设计，圆弧轨半径的减少，既降低了轨道的高度，又能保证物体可以在较低的位置释放，落入接收装置。

释放装置也由钢板制成，将钢板切割成图2所示的形状，并在虚线处进行弯折形成。

实验装置示意图见图1～图3所示。

图1 轨道平面设计图

图2 发射装置平面设计图

图3 发射装置三视图

图4 轨道实体图

3 小球的选取

采用小球做实验的原因一是看到一些验证机械能守恒定律与动量守恒定律的实验中采用了小球;二是由于我们设计制作的实验仪器较大，希望利用小球在轨道上的现象来体现另一个物理概念，即转动动能。这是较小的实验仪器很难凸显出来的。在小球的类型方面，我们分别尝试了实心钢球、空心钢球与台球。最终的实验结果显示，台球的效果最好。因为实心钢球太重，使得其与轨道之间的压力过大，增大了下滑时与轨道之间的摩擦力，导致了能量的损失，从而影响了实验的效果。而空心钢球太轻，下滑时空气对其阻力过大，因而也没有得到很好的效果。最终，台球因为其质量适中，在实验中取得了很好的效果。