高中物理验证动量守恒定律实验方案设计研究

文/ 深圳市布吉高级中学 李海斌

守恒思想是物理学研究的重要思想，物理学家总是在不断探索我们生活中的不变量。通过动量守恒定律能够解释我们生活中的很多问题，例如宏观物体组成的体系、两个物体组成的系统以及多个物体组成的系统。当系统受到的合外力是零或不受外力作用情况下，那么该系统动量守恒。高中阶段对动量守恒定律的验证主要是基于一维碰撞模型，两物体动量守恒的一般表达式是m1v1+m2v2=m1v1+m2v2，其中m1、m2表示两物体的质量，v1、v2表示两物体的初速度，v1、v2表示两物体的末速度。根据速度测算方法的不同又可以分为打点计时器法、气垫导轨法等。下面将梳理实验方案，小结注意事项并提出优化方案建议。

一、打点计时器法

1.实验方案：如图1- 1 所示，装有打点计时器的长木板- 小车装置是高中物理中的经典实验仪器，可以用于研究匀变速直线运动，分析物体加速度和质量以及合外力之间的对应关系，验证机械能守恒等，将其稍加改装成如图1- 2 所示的装置，进而能够针对动量守恒定律进行验证，具体方法步骤便是将打点计时器固定在一个长木板上面，借助纸带将其和小车1 连接。推动小车1 撞击木板另外一端，同时将纸带和打点计时器连接，然后将其绑在小车1 上面。让处于运动状态下的小车1 和处于静止状态的小车2进行碰撞，将橡皮泥和撞针安装在碰撞的小车上一起运动。借助纸带针对小车发生碰撞前后两个状态下的速度进行测试，碰撞前后小车速度分别是v1和v1，托盘天平称量两小车的质量分别是m1、m2，在误差匀速的范围内，验证m1v1=（m1+m2）v1是否成立，就可实现验证两小车构成的系统动量是否守恒的目的。

图1 -2

图1 -1

2.改进建议：该方案只能验证完全非弹性碰撞情景，但是因为模板并非属于完全理想的光滑状态，且纸带和打点计时器之间存在摩檫力，故而导致实验存在较大误差。实验中可适当增大两小车的质量或增大小车1 的初速度，从而减小实验误差。

二、气垫导轨法

1.实验方案：气垫导轨是高中物理常用的实验仪器之一，它利用气泵使导轨上的小气孔喷气，轨道和滑块之间形成气垫，从而使得滑块悬浮于轨道之上，滑块运动时可视为不受阻力。如图2- 1 所示，利用与气垫导轨配套的光电门计时器可以测算两个滑块碰撞前后的速度。基本原理便是借助刻度尺针对滑块上对应挡光片宽度进行测量，即得到Δx，借助光电门计时器针对挡光片经过光电门的时间进行测试，即Δt，借助公式针对滑块速度进行计算。测出两小车碰撞前的速度v1、v2和两小车碰撞后的速度v1、v2，用托盘天平称量两小车的质量分别是m1、m2，在误差匀速的范围内，验证m1v1+m2v2=m1v1+m2v2是否成立，就可达到验证两小车构成的系统动量是否守恒的目的。

2.改进建议：该方案中选用宽度较窄的挡光片，测算出的速度将更精确。相较于打点计时器法，该方案可基本消除摩擦力的影响，减小实验误差，实验前要注意调节气垫导轨水平。对滑块稍作改装，还可验证三种不同碰撞类型中的动量守恒。图2- 1 中两滑块为非弹性碰撞，如在两滑块相碰的端面装上橡皮筋可实现弹性碰撞（如图2- 2）。将橡皮泥和撞针分别安装在滑块碰撞端，具体参见下图2- 3，当滑块经过碰撞后组成整体，并且进行运动，进而能够实现非弹性碰撞，将尼龙魔术贴安装在两个滑块上同样可以实现此效果。

图2 -1

图2 -2

图2 -3