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        動量守恒定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)

        2016-09-05 03:33:42
        物理通報(bào) 2016年6期
        關(guān)鍵詞:施力擺錘單擺

        韓 哲 張 璇

        (唐山學(xué)院 河北 唐山 063000)

        ?

        動量守恒定律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)

        韓 哲張 璇①

        (唐山學(xué)院河北 唐山063000)

        驗(yàn)證動量守恒定律實(shí)驗(yàn)中要求兩個滑塊的水平初速度相差較大,上述要求對學(xué)生來說操作難度較大,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的裝置是利用單擺擊打滑塊,使滑塊獲得相差較大的水平初速度,解決了操作難度大的問題,并且減小了實(shí)驗(yàn)誤差.

        驗(yàn)證動量守恒教學(xué)改進(jìn)

        根據(jù)動量守恒定律,若系統(tǒng)不受外力或所受外力的矢量和為零,則系統(tǒng)的總動量保持不變[1].氣墊導(dǎo)軌利用從導(dǎo)軌表面噴出的壓縮空氣,在導(dǎo)軌與滑塊間形成空氣薄膜(即氣墊),使滑塊懸浮在導(dǎo)軌面上,在水平氣墊導(dǎo)軌上的兩個物體,由于氣墊的漂浮作用,物體受到的摩擦力可以忽略不計(jì)[2].這樣,當(dāng)兩物體發(fā)生撞碰時系統(tǒng)的動量守恒,碰撞前后的總動量相等.所以驗(yàn)證動量守恒定律的實(shí)驗(yàn)在氣墊導(dǎo)軌上進(jìn)行,以保證碰撞系統(tǒng)所受外力的矢量和為零.選取兩個質(zhì)量相等的滑塊,設(shè)m1=m2=m,分別給兩滑塊施力使其獲得初速度,且相向運(yùn)動發(fā)生碰撞,通過兩個光電門記錄兩滑塊的初速度分別為v11,v21,碰后兩個滑塊通過兩光電門的速度分別為v12,v22.則根據(jù)動量守恒定律有

        m1v11+m2v21=m1v12+m2v22

        實(shí)驗(yàn)要求兩滑塊受力大小相差較大,從而保證它們獲得相差較大的水平初速度,以減小實(shí)驗(yàn)誤差.但由于學(xué)生缺乏操作經(jīng)驗(yàn),難以控制施力大小,不能保證兩滑塊初速度相差較大;而且不能保證給滑塊水平施力,施力的方向經(jīng)常向下傾斜,會導(dǎo)致滑塊劃蹭氣墊導(dǎo)軌,增加摩檫阻力,從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大.

        為了解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備中存在的諸多缺陷,我們對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn),可以得到比較精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示.

        圖1 驗(yàn)證動量守恒實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

        如圖1所示,在氣墊導(dǎo)軌3的兩端通過梁架9分別安裝有懸臂梁1,懸臂梁上設(shè)置有套管8,單擺4通過套管8安裝在懸臂梁1上,量角器2與單擺4同心安裝在懸臂梁1上,在氣墊導(dǎo)軌3上,梁架9內(nèi)側(cè)分別安裝有兩個光電門6,光電門6與電腦計(jì)數(shù)器7相連接.另外單擺4的擺臂具有一定的寬度,一般為2~3cm,這一寬度保證了單擺4只會延氣墊導(dǎo)軌方向做左右擺動,不會發(fā)生前后轉(zhuǎn)動.還可以繼續(xù)改進(jìn)通過計(jì)算或?qū)崪y將量角器的角度換算成碰撞滑塊的初速度標(biāo)注在量角器2上.

        實(shí)驗(yàn)時,采用單擺擺錘擊打滑塊使其獲得初速度驗(yàn)證動量守恒定律的方法,用單擺擺錘垂直擊打滑塊,既有效保證了滑塊初速度方向水平,又克服了摩擦阻力.安裝的同心量角器,使擊打滑塊擺錘的擺角成為已知.當(dāng)擺錘偏離平衡位置時,偏離的角度不同,滑塊碰撞前就會獲得不同的初速度,通過改變擊打滑塊擺錘的擺角,可以使滑塊獲得大小不同的初速度,大大減小了誤差,實(shí)驗(yàn)裝置簡單、明了,便于學(xué)生理解掌握.

        具體驗(yàn)證方法:

        選取質(zhì)量相等的兩個滑塊m1=m2=m分別放在氣墊導(dǎo)軌3上、單擺4的內(nèi)側(cè),將兩單擺的擺錘5偏離平衡位置一定角度(要求兩個擺錘偏離的角度相差較大),將擺錘5釋放,則兩擺錘5分別擊打兩個滑塊,滑塊通過光電門6的速度由電腦計(jì)數(shù)器7記錄,左邊滑塊碰撞前的速度為v11,右邊滑塊碰撞前速度為v21,兩滑塊以上述初速度相向運(yùn)動,在氣軌中間位置發(fā)生彈性碰撞后互相彈開,分別測得左邊滑塊碰撞后速度為v12,右邊滑塊碰撞后速度為v22,則驗(yàn)證動量守恒定律如下[3].

        計(jì)算碰撞前的動量

        p0=m1v11-m2v21

        計(jì)算碰撞后的動量

        p=m2v22-m1v12

        動量差

        Δp=p0-p

        百分誤差

        因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)裝置保證了兩滑塊初速度v11,v21方向水平且相差較大,即百分差E的分母很大,又克服了水平方向的摩擦阻力,所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果百分誤差極小,在所需范圍之內(nèi),則動量守恒定律成立.

        1李秀燕,呂玉祥,曲華,等,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京:科學(xué)出版社,2001.48~54

        2李書光,胡松青,張令坦.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京:清華大學(xué)出版社,2008.101~109

        3杜寧,邊靜.驗(yàn)證動量守恒定律的幾點(diǎn)討論.中國教育技術(shù)裝備,2014(14) :125~127

        ImprovementonExperimentTeachingofVerifyingLawofConservationofMomentum

        HanZheZhangXuan

        (TangshanUniversity,Tangshan,Hebei063000)

        Theconservationofmomentumexperimentrequirestwoslidingblockwhichhavelargedifferenceofinitialvelocity,butitisrelativelydifficultforthestudents,thispaperputsforwardusingpendulumstrucktheslidertosolvethisproblem,andreducetheexperimentalerror.

        lawofconservationofmomentum;experimentteaching;improvement

        ①韓哲(1974-),女,高級實(shí)驗(yàn)師,主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

        2015-12-18)

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