4 实验：验证动量守恒定律 一、实验目的 1．明确探究碰撞中的不变量的基本思路． 2．探究一维碰撞中的不变量． 二、实验原理 1．碰撞中的特殊情况———一维碰撞 两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这条直线运动． 2．追寻不变量 在一维碰撞的情况下，与物体运动有关的物理量只有物体的质量和物体的速度，设两个物体的质量分别为m1、m2，碰撞前的速度分别为v1、v2，碰撞后的速度分别为v1′、v2′.如果速度与规定的正方向一致，则速度取正值，否则取负值． 依据猜想与假设，通过实验探究寻找碰撞前后的不变量，可能是下列的哪些关系？ (1)可能是质量与速度的乘积，即m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′. (2)可能是质量与速度的二次方的乘积，即m1v＋m2v＝m1v1′2＋m2v2′2. (3)也许是物体的速度与质量的比值，即＋＝＋. … 探究以上各关系式是否成立，关键是准确测量碰撞前后的速度v1、v2、v1′、v2′.因此，利用气垫导轨和与之配套的光电计时装置，可保证两物体碰撞是一维碰撞，并可比较准确地测量出碰撞前后的速度． 3．实验方案设计 方案一：用气垫导轨完成两个滑块的一维碰撞 实验装置如图所示： (1)质量的测量：用天平测量质量． (2)速度的测量：利用公式v＝，式中Δx为滑块(挡光片)的宽度，Δt为计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门时对应的时间． (3)利用在滑块上增加重物的方法改变碰撞物体的质量． (4)实验方法． ①用细线将弹簧压缩，放置于两个滑块之间，并使它们静止，然后烧断细线，弹簧弹开，两个滑块随即向相反方向运动(图甲)． ②在两滑块相碰的端面上装上弹性碰撞架(图乙)，可以得到能量损失很小的碰撞． ③在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥，碰撞时撞针插入橡皮泥中，把两个滑块连成一体运动(图丙)，这样可以得到能量损失很大的碰撞． 方案二：利用等长悬线悬挂等大小的小球实现一维碰撞 实验装置如图所示： (1)质量的测量：用天平测量质量． (2)速度的测量：可以测量小球被拉起的角度，根据机械能守恒定律算出小球碰撞前对应的速度；测量碰撞后两小球分别摆起的对应角度，根据机械能守恒定律算出碰撞后对应的两小球的速度． (3)不同碰撞情况的实现：用贴胶布的方法增大两小球碰撞时的能量损失． 方案三：利用小车在光滑长木板上碰撞另一辆静止的小车实现一维碰撞 实验装置如图所示： (1)质量的测量：用天平测量质量． (2)速度的测量：v＝，式中Δx是纸带上两计数点间的距离，可用刻度尺测量．Δt为小车经过Δx所用的时间，可由打点间隔算出．这个方案适合探究碰撞后两物体结合为一体的情况． (3)碰撞的实现：两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥． 三、实验器材 方案一：气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、弹簧、细线、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等． 方案二：带细线的摆球(两个)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等． 方案三：光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥等． 四、实验步骤 不论采用哪种方案，实验过程均可按实验方案合理安排，参考步骤如下： 1．用天平测量相关碰撞物体的质量m1、m2. 2．安装实验装置． 3．使物体发生一维碰撞． 4．测量或读出碰撞前后相关的物理量，计算对应的速度． 5．改变碰撞条件，重复步骤3、4. 6．进行数据处理，通过分析比较，找出碰撞中的“不变量”． 7．整理器材，结束实验． 五、数据处理 将实验中测得的物理量填入下表，填表时需注意物体碰撞后运动的速度与原来的方向相反的情况． 碰撞前 碰撞后 质量m/kg m1 m2 m1 m2 速度v/(m·s－1) v1 v2 v1′ v2′ mv/(kg·m·s－1) m1v1＋m2v2 m1v1′＋m2v2′ mv2/(kg·m2·s－2) m1v＋m2v m1v1′2＋m2v2′2 /(m·s－1·kg－1) ＋ ＋ 实验得出的结论 六、误差分析 1．系统 ... ...
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