中学物理实验技能训练讲义正文 - 图文(2)

中学物理实验技能训练讲义

实验二 验证碰撞中动量守恒实验的研究

弹性碰撞实验的扩展及其广泛，比如利用质量相等的钢球所制作的完全弹性碰撞演示实验就一直是教学、娱乐、科普的理想案例之一。平抛运动的合成和分解实验也需要利用到弹性碰撞实验仪。但是一般的演示实验和学生实验只集中于弹性碰撞，对于完全非弹性碰撞实验则研究较少。同学们可以思考一下完全非弹性碰撞演示实验教具的设计和制作。

【实验目的】

1．知道J?2315型碰撞实验仪的工作原理。

2．会正确调节并使用碰撞实验仪验证正碰中的动量守恒。 3．研究做好验证碰撞中的动量守恒实验的关键。

4．研究如何指导学生做好该实验，如何减小实验误差。 【实验原理】

两个球质量分别是m1和m2,在碰撞前，m1的入射球速度为V1，质量为m2的靶球静

//止在支球管上。两球在碰撞前总动量是mV，碰后两球总动量为mV?mV111122，因碰撞

前后两球在水平线上碰撞，水平上合外力可以认为是零，故系统动量守恒，即

//S、t?分别代表平抛运动的水平前进距离和时间，则该式可mV11?mV11?m2V2。若用

写成m1s1s?s??m11?m22。因碰撞时入射球和靶球两球心等高，并两球半径相等，故它

?t1t1t?2'''们做平抛运动的时间相等，t1?t1。上式消去t1、t1'、t2，得m1s1?m1s1??m2s2?.由此?t2可知，利用J?2315型碰撞实验器做实验时，可用球质量与水平前进距离乘积间的关系来代替动量间的关系。

????未放靶球，让入射球靠住挡球板从斜槽轨道上滚下，入射球落点位置P，从竖直投影点O至P点距离为S1；?把靶球放在支球管上，让入射球从原来高度上滚下。发生碰

?，O点至靶球落点Ｎ距离为s2?；线段OP是入射球撞，O点至入射球落点M距离为s1没有碰撞时飞出的水平距离，它的数值相当于入射球到达斜槽末端的水平速度V1，?线段OM是入射球碰撞后飞出的水平距离，也就是入射球碰撞后的速度V1/，线段ON相当于靶球碰撞后速度V2/。这样可用球质量与水平前进距离的关系代替动量间的关系，把测速度问题简化为测距离问题（如图2-1）。我们只要通过实验测出球水平前进的距离。即可用公式m1S1?m2S2?m1S1来验证动量守恒定律。

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R+R12m1oom2MS2PNS1S1图2-1 动量守恒验证实验的示意图?

【器材设备】

(一) 实验器材

铝型材轨道（包括支球架、支球管、挡球板），金属球，非金属球，重锤，桌夹，刻度尺，白纸和复写纸。?

（二）仪器的安装和调节

1．用桌夹把碰撞实验仪固定在实验桌的边上，或者凳子的边上均可，要求轨道的平直槽为水平方向（判断方法是：把钢球放在平直槽的任意位置，如果钢球都能静止，轻轻一推又均匀运动，那么可以判断平直槽即为水平方向，然后旋紧水平固定螺母。如图2-2所示。

2．用对开记录纸或白纸一张，平铺在实验桌前地面上（地面要平），记录纸边长跟钢球运动方向平行，并对准斜槽中线，四角用重物压住。

???????? 图2-2 J?2315型碰撞实验仪的安装和调节

3．标绘槽口中心竖直投影点。把重锤线的端头从支球管中间自下而上穿过，经槽口正中间的Ｖ形口，再从轨道弯曲部分的孔中穿过，线端系在放线机构上，转动放线机构，使重锤尖距纸面约2~4mm，用铅笔在记录纸上点出锤尖所指位置、即为投影O。

4．把档球板固定在斜槽上较高处，通过试抛调整支管球的左右位置。先让入射球做自平抛，标出落点P，然后连接OP并延长至记录纸边缘处，正碰时两球的落点都应在这条线附近，如落点偏离较大时，则应调整支球管的左右位置。支球管高度及它和槽口的距离，往往是固定的，不可调整。

【实验分析】

（一）碰撞中动量守恒的验证实验的一般方法及步骤：

1．在支球管上未放靶球时，将入射钢球，从斜槽的一定高度处滚下做平抛运动，重复几次，利用复写纸将落点打印在记录纸上确定落点平均位置，标为P点。

2．在支球管上放稳非金属球，将入射钢球，从斜槽同一高度处滚下，使之发生对心正碰，重复至少五次。同样利用复写纸将两球平抛落点打印在同一张记录纸上，入射球

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的落点平均位置为M，靶球落点平均位置为N。本实验提供了钢球、玻璃球、塑料球等类型，要求同学们尝试用钢球玻璃球以及钢球塑料球等组合，对比研究哪种组合的实验效果好一些，以便在中学教学时心中有底。

3．借助重锤纸，确定入射球的球心从槽口未端开始做平抛运动的起点在记录纸上的竖直投影点。那么支球管上靶球开始做平抛运动的起点O，OO距离是两球半径之和。 4．测定入射球及靶球做平抛运动的水平速度，由平抛知识可知，由于它们下落的高度相同，飞行时间也相等，那么小球的水平速度与其平抛的水平距离成正比。因此： ???????? V1?S1?OP；

''V1'?S1'?OM；

'V2'?S2?ON。

????????那么：m1?OP?m1?ON?m2?ON。 ?????（二）实验中存在的问题分析

1．仪器不易调节准确。当m1和m2两小球发生碰撞，要想使碰撞后总动量守恒，除要求调整斜槽轨道的水平段保持水平外，还须保证直径相等的这两个小球是对心碰撞。因而要

求做到：

① 支承被碰球m2的螺柱，顶端高度应调至舒适位置，确保两球碰撞时等高； ② 螺柱的轴线与斜槽水平轨道的中心线应在同一竖直平面里。若不能做到上述两点，就无法保证其对心碰撞，也就无法保证两球落地点的准确，而造成误差。实践证明，在准确完成这两步调整是比较困难的。对于实验技能并不高明的学生来说，更是难上加难。

2．由于螺柱顶端已调到使两球碰撞时等高，因此，发生碰撞时，入射小球m1离槽后就开始作竖直下落的分运动，当入射小球m1前进到螺柱所在处时，由于下落，其下底面必稍低于螺柱的顶面，就必然和螺柱发生碰撞而减速，造成一定的实验误差。这个实验历来误差较大，看来上述这一原因是起决定性作用的。

3．碰撞后，两球的落点与入射球的空飞落点往往不在一条直线上，且偏离斜轨水平槽口中心线较远。不仅如此，两球的落点也较分散（此系由每次放置被碰球m2位置或左或右的微小偏差而引起）。学生做实验时，两球落点散落范围的直径经常超出10cm，可见碰撞过程很不稳定。可以断定，其动量变化关系也不会稳定。这是这个实验误差大的又一重要原因。

4．由于入射球、被碰球水平射程的测量起点不同（一为图中的O点，一为O点），学生测量时经常出错，从而增加不必要的难度。 （三）实验改进的建议

为了克服上述缺点，我们提出如下改进建议：实验时，去掉螺柱，直接把被碰球放在已调好的轨道末端相碰。这样，测量两球的水平射程都从同一起点O开始量起，减少了麻烦。其余实验步骤不变。通过这样改进，能有效克服前述几点缺陷，使实验误差大幅度降低。

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当然，如此改进不是不存在误差，从理论上分析，被碰球m2虽被飞离轨道，而入射球m1还要滚过长度等于其直径的一段距离才离槽，由于摩擦，会减小m1的离槽速度V1'，因而也会带来误差。但是，由于距离较短，且是滚动摩擦，其摩擦力甚小，影响甚微，所以我们认为这样改进实验，仍可以较大幅度降低实验误差。其验证工作交由同学们进行。球就采用钢球和玻璃球的组合。值得注意的是，在新版的人民教育出 …… 此处隐藏：3080字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……