王建龍
摘? 要:動量守恒定律是力學中一個重要定律,其驗證實驗已經(jīng)出現(xiàn)很多.這里我們再一次換個角度去探索實驗的美妙。在“驗證動量守恒定律”學生實驗中,現(xiàn)行的人教版教材的實驗原理圖如圖1所示。設小球1滾下與球2碰撞前的速度為υ0,碰撞后球1的速度為υ1,球2的速度為υ2。
關(guān)鍵詞:動量守恒定律;實驗原理;探究
在《驗證動量守恒定律》這個學生實驗中,現(xiàn)行的人教版教材的實驗原理圖
如下圖所示:
設小球1滾下與球2碰撞前的速度為V0,碰撞后球1的速度為V1,球2的速度為V2,若碰撞中動量守恒則需驗證等式M1V0=M1V1+M2V2是否成立。直接測量球的速度比較困難,因此本實驗轉(zhuǎn)而去測量小球碰撞前后做平拋運動的水平位移,通過驗證等式M1OP=M1OM+M2ON是否成立從而達到驗證碰撞中動量是否守恒的目的。本實驗的原理可以說是十分巧妙的,然而大家都看的出本實驗有個明顯的系統(tǒng)誤差:即入射小球1與被碰小球2碰撞后,球1的速度并不是它做平拋運動的初速度。因此本實驗有了一個改進的版本,其實驗原理如下圖所示:
此實驗裝置通過驗證等式M1OP=M1OM+M2O/N否成立從而達到驗證碰撞中動量是否守恒。在這個實驗裝置中,通過將2球放在增加的小立柱上,使得球1和球2的碰撞后的速度就是它們做平拋運動的初速度,避免了第一種裝置中的系統(tǒng)誤差。但第二種裝置比第一種裝置多了一個步驟:即需要測量兩個小球的直徑,從而得出OO/的長度,即OO/=2r。而實際中我們測量的是ON的長度,O/N的長度我們是用ON減去2r得到的。
但是筆者將M1OP=M1OM+M2O/N做個變形發(fā)現(xiàn)了一個很有趣的結(jié)果,將OP=OO/+ O/P,OM=OO/+O/M代入上式
得M1(OO/+O/P)= M1(OO/+O/M)+M2O/N
即M1O/P= M1O/M+M2O/N
也就是說我們測量的OO/實際上在等式中被消掉了,根本就沒起到作用。我們只需要從O/點開始測量就行了,這樣就避免了起點不同的問題,測量計算就簡單方便了許多。為此需要在裝置上做一個小改動,只需將重垂線移到小立柱下方,如下圖所示:
直接從O/測量三段距離,從而驗證M1O/P= M1O/M+M2O/N是否成立就可以得到碰撞中動量是否守恒。在實驗中我們還是需要測量兩球的直徑,但測兩球直徑是為了確定小力柱到槽口的距離。
結(jié)束語:
實驗裝置這樣一簡單改動帶來的好處是顯而易見的:首先它簡化了我們要證明的等式,學生學起來自然變得簡單明了。第二:這個等式比之前要證明的等式看起來整齊美觀多了,體現(xiàn)了物理學的和諧與簡單之美,第三:它揭示了游標卡尺測量小球直徑的真正作用,那就是在組裝儀器前確定小立柱到槽口的距離,而不是儀器組裝后測量OO/的距離,因為組裝后測量OO/的距離在等式中根本沒用,測了等于白測。
參考文獻
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