动量守恒实验的探究

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1、动量守恒实验的探究作者：陈德棠文章来源：《教学仪器与实验》点击数：2446更新时间：2008-5-201问题的提出围绕《碰撞中的动量守恒》这个学牛实验，各种刊物上近几年已发表了多篇文章。从刊物上所载使用斜槽导轨所做的诸多实验及笔者口己、学生所做的无数次实验中，发现了一个共同性问题，即：碰撞后系统的总动量绝大多数都是增大！笔者曾仔细调整斜槽导轨水平段的水平度，仍无法改变动量增大的现象。但用气垫导轨作两滑块的完全非弹性碰撞实验，就不存在这个问题。从对比这两种实验方式及它们产生的不同效果中，终于找到了症结：不是碰后系统的动量增人了，而是对

2、钢球碰前初动量的测量数据偏小To实际上就是因为对钢球滚下空飞（即不放置靶球）的水平射程S的测量数据偏小了。我们分析一下图1抛体的运动悄况，就很容易明白这个道理。我们讣同一小球从高为H的平台上以相同初速做平抛飞出。笫一次让小球以初速兼作绕水平瞬时轴沿顺时针方向转动的复合平抛运动，则小球经A、B轨迹落至B点，水平射程为S；第二次让小球以相同初速平抛，小球在下落过程中不转动。则小球经C、D轨迹落至D点，水平射程为S。显然，S

3、平动下落的对比实验。装置：如图2所示，1、2为粗铁丝，3、4为其转轴，5为控制夹持宽度的限位块，6为橡皮筋，保证有适度拉力有效夹持钢球，7为带轴尖的钢球，8为木板座。将直径为1.6cm的钢质单摆球经退火处理后，沿原线孔方向钻出直径为2.5mm的均匀直孔道（原钢球两侧孔径大小不同），用直径为2.4mm的螺杆穿过直孔道，两端用小螺帽紧周，各外留3mm小段，其余部分截去，将两端磨成长3mm的轴尖。取直径3mm长15cm的粗直铁丝两段，分别将其端稍敲扁，用直径2mm的钻头在铁丝扁部钻出深约2mm的小凹坑，作为钢球轴尖的支承轴窝，使钢球两端轴

4、尖•此轴窝配装成相似于钟表的摆尖与轴窝的结构，使能可靠定位，乂能转动灵活。将该粗铁丝的中部在直径为4mni的铁杆上绕2圈后取下，形成转轴套，用细杆螺钉穿过转轴套固定在木板上，形成转轴。在靠近铁丝轴窝一侧，装有橡皮筋和限位块控制两轴窝间距，使钢球稳定夹持，转动灵活。PHY陟CERY实验方法：①将木板8用长木螺钉紧固在竖直门框上，II使木板板面距门框约12cm。②将钢球两端轴尖夹持在粗铁丝1、2下端的轴窝中。③用左手人拇指和食指，沿图中箭头方向迅速施力，夹捏粗铁丝上端，则其下端张开，钢球被释放自由下落（平动），在复写纸和白纸上打印出平动

5、下落点迹。④重复②，然后用右手屮指向下迅速划摩钢球，使Z沿顺时针方向正转后，再如③释放钢球，在同一张纸上记录正转飘落点迹。⑤重复②，用右手中指迅速向上划摩钢球，使之反转，然后如③释放钢球，在同一张纸上记录反转飘落点迹。笔者做了一11多个落点记录，果然发现，钢球转动下落与自由下落(平动)相比较，确实发生了落点漂移。正转时朝一个方向飘落，反转时朝相反方向飘落，一白多个点，无一例外!根据陀螺仪原理，钢球在转动下落时，其H转轴方向是比较稳定的，不可能发生180。的大转向，这也就是正、反转落点泾渭分明、分别排列在平动落点两侧的根本原因。落点漂

6、移距离的大小，显然与钢球转速的大小及下落高度有关，笔者实验中，钢球下落高度为1・2m,正转落点最大漂移距离曾达4.3cmo以上分析及实验结果，强有力地证明：沿斜槽导轨滚卜•的钢球，其空飞水平射程&的测量数据偏小，是不容否定的事实。至于从斜槽导轨滚下的钢球的转速，与笔者用手指划摩的转速相比，究竟孰高孰低笔者无法测量比较。因而由斜槽导轨滚下的钢球，其水平射程因转动漂移的减少量△$,究竟有多大无法准确测算，但空飞水平射程Si的测杲数据偏小则是肯定的。附带说明一下，用手指划摩钢球而获得的转速是有限的，因为划摩时用力稍大，钢球就会因侧向挤压脱

7、离夹持件血坠落。可能有人会说，在碰撞实验屮，钢球碰靶球后下落时，同样是转动的，因此这时的水平射程&的测最数据同样是偏小的。既然$、SJ的测量数据都偏小，不是就可抵消了吗！肯定是抵消不了的。因为钢球碰靶球时，与靶球球面的切向摩擦，会使其转速减小。另外，由丁•碰后钢球“刹车”减速，球底面必受到来口导轨沿钢球转动方向相反的切向摩擦力作用，使其转速进一步减小。所以，钢球空飞下落时的转速一定比碰撞后下落时的转速要高一些。山此便造成测量水平射程的减小量△&>△$」，于是rniASi>rniAS?,遂有rniASk(miASi+m2AS2)^结果

8、，亦即使碰后系统的总动量相对“增大”。由此可见，用这种方法实验，碰撞后系统动量的“增大”是不可避免的。一些实验的误茅看起來较小，并不说明其精确，实际是实验过程中系统损失的动最较多，掩盖了前述动量“增大”的效果。所以，这种“精确”，只是