动量守恒定律验证实验探究

2023-09-27党占财

数理天地(高中版) 2023年18期

党占财

【摘要】本文探究高中物理中动量守恒定律的验证实验，通过一道高考模拟题的实验操作，来分析总结问题进而解决问题，从而达到激发学生创新意识，切实提升解决实验问题的能力之目的.

【关键词】高考物理；动量守恒定律；实验教学

实验在高考中占有重要的地位，实验考查目的是培养学生科学意识、探究意识，并在实验过程中通过观察发现问题、提出问题，进行合理的猜想，从而能准确表述、评估和反思探究过程与结果.高考已經将动量守恒定律的验证实验列为必考实验，所以本文以一道高考模拟题的实验操作入手，对动量守恒定律的实验予以验证探究.

1 实验基本操作

实验用具天平一台（附砝码）、圆规一个、重垂线一条、两个小球（大小相同、质量不等）、斜槽装置、白纸、复写纸、刻度尺.

实验目的利用斜槽验证动量守恒定律.

实验手段利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律.

实验过程运用斜槽上滚下的小球通过碰撞验证动量守恒定律.

（1）测质量：用天平测量两个小球的质量，并将质量较大的记为m入射，质量较小的记为m被碰，即m入射>m被碰.

（2）安装并调整装置：按要求安装好实验装置，将斜槽固定在桌边，使斜槽的末端处于水平位置，把被碰小球放在斜槽前边的小支柱上，调节实验装置使两小球碰撞时处于同一水平，并确保碰撞后的速度方向水平.

（3）铺纸：在固定位置铺好白纸、复写纸，把白纸铺放在复印纸的下面并固定好.

（4）记录位置：在白纸上记下重垂线所指的位置O，它表示入射小球碰撞前的球心位置.

（5）调整平均位置点：先不放被碰小球，第一次让入射小球从斜槽上从一个固定的位置点自由滚下，以此类推，用这种方法滚下第2次、第3次、第4次、第5次、第6次，多次实验后，用圆规画出最小的圆，把实验小球各个落点圈到里面，找到圆心.

（6）实验操作：如1甲图所示，选用半径相同的A、B两个小球，通过两个小球碰撞，达到动量守恒定律的验证.在实验过程中，让质量为m1的A球从斜槽上一个最高的位置点自由滚下，首先进入水平轨道，随后从轨道末端水平抛出，落到提前铺设在水平地面的复写纸上，显然在下面的白纸上留下痕迹.以此类推，用这种方法滚下第2次、第3次、第4次、第5次、第6次，显而易见，6次实验得到6个落点位置的印痕.然后把质量为m2的B球，放置在水平轨道的末端，让A球从固定的位置C由静止自由滚下，A球和B球发生碰撞后，在白纸上留下A球、B球各自的落点印痕，用这种方法重复操作6次.如1乙图所示，O点是重垂线的位置，M，P，N为三个落点的平均位置，未放B球时，A球的落点是P点.

2 实验说明

（1）该实验中，为了避免出现误差，选用两个小球，并且它们的质量要求应该是 m入射>m被碰；

（2）在实验过程中，把6个落点用圆规画出的半径最小的圆圈起来，所画圆的圆心即为小球落点的平均位置；

（3）在本实验中，所有落点平均位置一个记为M，一个记为N，可以看到M点、N点大致与OP在同一条直线上，此时用刻度尺测量出三条线段OM，OP，ON各自的长度.在正常情况下，如果满足关系式m1·OP=m1·OM+m2·ON，那么我们得出结论，即两球碰撞前、后总动量守恒（在OP方向上）；如果碰撞是弹性碰撞，且满足m1·OP2=m1·OM2+m2·ON2；

（4）用刻度尺测出的OP的长度，它与实验所用小球的质量无关；用刻度尺测出的OM、ON的长度，这两个长度与实验所用小球质量相关.

3 总结分析

（1）本次实验选取入射球质量大于被碰球质量，即m入射>m被碰，其目的可以有效防止入射球碰后出现反弹的可能性.

（2）本次实验误差允许的范围内，如果满足m1·OP=m1·OM+m2·ON，则可认为两球碰撞前、后在OP方向上的总动量守恒.

（3）本次实验受各种因素影响，出现一些情况，如出现小球的落点比较集中的现象.

（4）若两球相碰前、后总动量守恒（在OP方向上），则有m1v0=m1v1+m2v2，又OP=v0t，OM=v1t，ON=v2t，代入得m1·OP=m1·OM+m2·ON.

（5）如图2所示，连接OP、连接OM、连接ON，作M在OP方向上的投影点M′，再作N在OP方向上的投影点N′；分别测量出OP、OM′、ON′的长度.若在实验误差正常情况下，满足m1·OP=m1·OM′+m2·ON′，则可以认为两小球碰撞前、后在OP方向上动量守恒.

4 要点强调

（1）碰撞的两物体应保持水平并发生正碰.

（2）特别强调：

①入射小球每次都从斜槽的某一固定位置滚下.

②m入射>m被碰.