动量守恒定律验证实验的创新设计

【摘要】动量守恒定律验证实验的实验步骤和创新实验是高考的高频考点，考查学生的分析能力、创新能力，要求学生对该实验的基本实验原理有较深的理解与掌握.本文对动量守恒定律验证实验进行创新设计，分别从实验目的、实验器材和实验过程三个方面展开讲解创新方案，最后以一道创新实例进行详细讲解，以期望帮助学生深刻理解动量守恒定律验证实验的原理及过程，在解题时能够举一反三，游刃有余.

【关键词】动量守恒定律；高中物理；实验教学

1 教材原型实验

（1）实验原理：在一维碰撞中，测出物体的质量m和碰撞前后物体的速度v，v′，找出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p=m1v1′+m2v2′，看碰撞前后动量是否守恒[1].

（2）实验装置：如图1和图2所示.

（3）实验过程：略.

（4）注意事项：①碰撞的两小球应保证“水平”和“正碰”；②操作过程中，入射小球质量要大于被碰小球的质量，两球半径应相等[2].

（5）典例分析：

例1 如图3所示实验装置为实验室中验证动量守恒定律常用装置，若入射小球的质量为m1，半径为r1；被碰小球的质量为m2，半径为r2，则（ ）

（A）m1>m2，r1>r2.

（B）m1>m2，r1<r2.

（C）m1>m2，r1=r2.

（D）m1=m2，r1=r2.

解 在动量守恒定律验证实验，为了防止入射小球被反弹回斜槽之中，因此在操作过程中，入射小球质量要大于被碰小球的质量，即m1>m2；同时为了保证碰撞的两小球是对心碰撞，所以入射小球和被碰小球的半径应相等，即r1=r2，故（C）项正确.

2 创新实验

2.1 实验目的的创新

利用动量守恒、机械能守恒计算弹丸的发射速度.如图4所示，水平放置的弹簧枪发射弹丸，撞击由细线悬挂的冲击摆，弹丸击中摆块时陷入摆块内，并使摆块摆至某一高度见图5.根据摆块的摆动高度运用动量守恒定律和机械能守恒定律便可以计算出弹丸的发射速度.另外，该实验装置也减小了实验误差，体现了物理知识和物理实验的实用性、创新性和综合性[3].

2.2 实验器材的创新

（1）在试验器材上，也可以利用气垫导轨探究滑块碰撞前后的动量是否守恒，如图4所示.将滑块B静止放在气垫导轨的中间，利用气垫导轨左端的橡皮绳给与滑块A一个初速度，使滑块A与滑块B碰撞，在这个过程中，利用气垫导轨配套的光电计时器测出A，B两滑块碰撞前、后的速度并记录下来，然后验证动量是否守恒.该方案既提高了实验的精确度，也简化了实验操作[4].

（2）如图7所示，利用铝质导轨研究完全非弹性碰撞，也是动量守恒定律实验的一种创新拓展.该方案采用闪光照相机记录A，B两滑块碰撞前后的运动规律见图8，从而确定滑块碰撞前后的速度.

2.3 实验过程的创新

如图9所示，在A，B两个滑块间放置轻质弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，并用一根细线将两个滑块固定，烧断细线后，两个滑块由静止向相反方向运动，利用C，D处的光电计时器记录下滑块通过光电门时间，然后根据v=Lt计算滑块弹离时的速度，再运用能量守恒定律可以知道弹簧的弹性势能，该方案也是动量守恒实验的创新设计之一[5].

3 例题讲解

例2 某实验中学物理兴趣小组的同学采用如图10所示的实验装置验证动量定理，已知滑块上方遮光片的宽度为d，砝码与砝码盘的总质量为m1，滑块与遮光片的总质量为m2，遮光片经过A，B两处光电门的遮光时间为Δt1，Δt2，遮光片从A运动到B所用的时间为t12.

（1）如何判断气垫导轨已调至水平？

（2）滑块从A运动到B的过程中，砝码和砝码盘所受重力为滑块所受拉力，某次实验测量的数据为：d=0.01cm，m1=1.50×10－2kg，m2=0.40kg，Δt1=3.90×10－2s，Δt2=1.27×10－2s，t12=1.50s，取g=9.80m/s2，求本次实验拉力冲量I及滑块动量改变量Δp的大小.

解 （1）当气垫导轨水平时，滑块在导轨上做匀速运动，因此开动气泵，轻推滑块，当滑块上的遮光片通过两个光电门的遮光时间相等时，可以断定气垫导轨已调至水平.

（2）根据冲量的定义可得I=m1gt12，代入数据得

I=1.50×10－2×9.80m/s2×1.5N·s=0.22N·s，

根据动量改变量的定义可得：

Δp=m2dΔt2－m2dΔt1=m2dΔt2－dΔt1

代入数据得：

Δp=0.40kg×0.011.27×10－2－0.013.90×10－2kg·m·s－1

≈0.21kg·m·s－1.

4 结语

在高考中，动量守恒定律验证实验考查灵活，实验的创新拓展角度多，解答这一类问题的关键是深刻理解实验原理.本文从实验目的、实验器材和实验过程三个角度对动量守恒定律验证实验进行创新设计，以期望通过多样化方案的体验性探究，加深学生对该实验原理的理解，同时培养学生进行实验探究的思想方法，提高他们的分析能力和创新能力.

参考文献：

[1]石芸珲.动量守恒定律创新实验类试题的研究及启示[J].中学物理教学参考，2019，48（Z1）：39-45.

[2]王金兵.优化动量实验方案创新设计实验过程[J].新课程（下），2017（08）：91.

[3]纪俊杰.从速度的测量谈创新类实验试题的突破方法——以验证动量守恒定律实验为例[J].高中数理化，2023（08）：11-12.

[4]党占财.动量守恒定律验证实验探究[J].数理天地（高中版），2023（18）：74-75.

[5]李红伟.浅淡物理实验试题的创新设计问题——以“验证动量守恒定律”为例[J].教学考试，2018（31）：43-45.