自制摆球碰撞探究仪探究碰撞中的不变量

董芳芳　梁忠

摘 要：人教版“实验：探究碰撞中的不变量”一节中，教材提供了三种探究方案，本自制教具主要解决教材案例二中不容易保证对心碰撞、最大摆角不容易定位测量、碰撞前后瞬时速度计算繁琐等问题.利用日常生活中的低成本材料设计实验，鼓励学生多动手、勤动脑，提升学生的物理核心素养.

关键词：碰撞;探究;自制教具;等效速度盘

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）05-0061-03

作者简介：董芳芳（1987-），女，江苏盐城人，硕士，中学一级教师，研究方向：高中物理学科教学;

梁忠（1966-），男，江苏盐城人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理实验教学.

人教版《物理（选修3-5）》教材“实验：探究碰撞中的不变量”，这节课的首要问题是实验方案的确定.因为实验方案是实验设计的核心，也是培养学生探究能力的重要途径.教师带领学生依据实验条件，通过比较、筛选器材进行实验探究，从而展开教学活动.本节课的教学难点是一维碰撞中不变量的實验探究，由于一维碰撞存在多种形式，再加上学生对不变量表达式的猜想较多，如何在一节课的教学时间内实现对不变量猜想的验证，教师需要以启发学生思维为切入点，以处理实验数据为突破口，化解教学难点.教材提供了三种探究方案，我们选择其中的参考案例二进行探究.

如图1，把两个小球用线悬挂起来，一个小球静止，拉起另外一个小球，放下时它们相碰，只要测量小球拉起的角度和被撞小球摆起的角度，就可以根据机械能守恒定律算出摆球碰撞前后的速度，进而研究碰撞现象中的规律，去探究碰撞中的不变量.这一案例思路明了，现象有趣，学生也容易理解.但笔者实际操作起来却发现要想实验成功并不容易，一是很难保证两球对心碰撞;二是小球的最大摆角也很难定位测量，还有碰撞前后的瞬时速度计算较为繁琐等一系列问题.笔者针对实验中遇到的问题对装置进行了改进，自制了摆球碰撞探究仪（如图2）.

1 制作材料与装置

1.1 制作材料

资料夹、塑料笔芯、笔套、考试垫纸板、普通木工板、带螺纹的金属横杆、螺母、钢球、时钟秒针、鱼线、竹签、铁丝、502胶等.

1.2 装置

2 难点克服与方案设计

2.1 一维碰撞的调节

通过移动横杆上的螺母调节摆球上的双线长度（如图4），从而调整摆球的位置，易于实现一维碰撞.两水平横杆间距可调，方便更换不同质量的摆球（如图5）.

2.2 最大摆角位置的定位

利用与摆球相连的带档针的连接杆带动定位指针（如图6），可方便确定摆球摆动的最大偏转角度.图6中从左至右3个定位指针分别记录了入射球碰撞前、碰撞后和被碰球的最大偏转角度.

2.3 速度刻度盘的调零

两个由资料夹制作的刻度盘（如图6）可以分别绕两摆球的悬点转动，方便校零，即让两摆球静止时充当重垂线，使刻度盘的零刻度线与重垂线重合即可，不需要精确调节水平.

2.4 碰撞瞬间摆球速率的确定

同一组实验中，两摆球摆动半径相同，验证时只需确定速度与摆角的关系，可借助欧姆表刻度“思想”，将最大摆角对应为“等效速度”（如图7，注意刻度不均匀），可使实验验证更快捷.

3 操作与效果

两球碰撞前后的速度大小均可由等效速度盘直接读出，由图8所示，可读出v1=6.3v0、v′1=1.5v0、v′2=6.4v0，摆球质量由天平测出，表2是实验的数据记录，平均实验误差约为6.7%.

4 教具亮点

本实验材料易取，成本低，装置设计精巧，突显对原理的理解;带档针的连接杆与定位指针的配合，方便定位最大摆角位置;双线摆、可调横杆、可调螺母、重摆球易于实现对心正碰，满足守恒条件;两个独立、可调节的刻度盘，降低了装置的校零难度;运用“欧姆表刻度”思想，将最大摆角直接对应为速度，大大简化了实验的计算难度.本实验的设计思想和理念为实验优化提供了坚实的基础.

5 误差分析与改进设想

受制作工艺影响，本教具还存在一些不足之处，分析如下：

（1）各种阻力影响降低程度不够.例如，定位指针转动轴处、各部件连接处的摩擦，连接杆带动定位指针时的撞击以及整个装置的振动.

（2）测量摆球摆动角度的指针定位存在不可忽视的系统误差，尤其是入射球碰撞后存在明显的系统误差，改进方案如图9所示.

（3）更换不同质量的摆球进行实验时，由于球的半径以及摆动半径都会改变，需要进行相应的调节，过程比较繁琐.因此，可以参照杠铃的原理，制作质量可以调节的摆球（如图10），将摆球两侧切去，通过增减配重片的方式来改变摆球的质量，而无需更换摆球.可以方便实验，同时减小误差.

6 结束语

新修订的《普通高中物理课程标准（2017年版）》倡导利用日常用品改进实验或开发新实验.实验课程资源不仅限于实验室现有仪器和设备，日常用品、废旧材料也是重要的实验室资源.低成本、高质量的物理实验可以使学生有更多动手实验的机会，有更多亲历实验演示的机会，更好地培养和发展学生的实验技能、创新实践能力.

参考文献：

[1]顾江鸿，李春密.物理演示实验探究化结构要素的建构[J].物理教师，2019，40（04）： 2-5+15.

[2]张维善.普通高中课程标准试验教科书物理（选修3-5）[M].北京：人民教育出版社，2007.

（收稿日期：2020-11-10）