第 4 节  实验：验证动量守恒定律  教学建议

1．教学目标

（1）能依据已有知识合理设计实验方案。

（2）能合理地选择实验器材，获得实验数据，分析实验数据，形成结论。

（3）能撰写实验报告，用学过的物理术语、图表等交流本实验的探究过程与结论。

（4）坚持实事求是，在合作中既能坚持观点又能修正错误。

2．教材分析与教学建议

教材在第 1 节通过教师演示实验引导学生寻求碰撞中的不变量，后面又通过理论推导得出了动量守恒定律。学生通过必修课程的学习，已经储备了丰富的运动与相互作用关系的知识，初步形成了运动与相互怍用观和能量观。本节主要是引导学生在初步掌握动量守恒定律的基础上，利用已有的知识进行实验设计、实验观察和数据分析。本节的重点应放在实验方案设计和实验数据分析上。

（1）实验思路

教师可以从动量守恒定律适用条件的角度引导学生创造性地开展实验设计，提出适合在实验室操作的方案。

 

教学片段

设计验证动量守恒定律的实验方案

问题 1．动量守恒定律的适用条件是什么？

问题 2．在现实生活中，或者说在实验室中，我们很难排除接触面摩擦力的作用，是不是没法做验证动量守恒定律的实验？

问题 3．如何尽可能地减小接触面摩擦力的影响？你打算怎样设计方案？

问题 4．你设计的实验中哪些物体组成了要研究的系统？

问题 5．你认为你设计的实验方案中有哪些好的想法？

问题 6．听了其他同学的设计方案，你认为你的方案有需要改进的地方吗？

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从动量守恒定律条件出发设计实验，可以加深对动量守恒定律适用性的认识。通过问题，引导学生尽量创造外力矢量和为 0 的条件。若无法满足这一条件，则可创设内力远大于外力的实验情境，使研究的系统动量近似守恒。为了使实验过程尽量简单，引导学生验证系统在一维情况下的动量守恒。此外，教师还要引导学生展示自己方案的亮点和改进自己方案的不足，使学生在合作中既能坚持观点又能修正错误。

（2）物理量的测量

教材在物理量测最的环节，安排了“思考与讨论”，旨在引导学生通过对“有哪些方式可以测量速度？你在设计实验方案时会选择哪种？为什么？”等问题的回答，充分促进学生思考、经历实验设计过程。

本环节，学生很自然地想到质量的测量比较容易，而速度的测量方法有很多。学生已经学过用光电门、传感器测速度，从机械能守恒角度测速度，还可以根据平抛运动规律测速度，等等。对速度的测量方案的设计和选择是对已有物理器材、棋型进行整合和选择的过程，是本实验中最能彰显创造性思维的过程，这部分内容值得让学生深入探讨交流。

（3）数据分析

根据选定的实验方案设计实验数据记录表格。选取质量不同的两个物体进行碰撞，测出物体的质量和碰撞前后的速度，并且验证碰撞前后的总动量是否守恒，即：

m₁v₁ʹ + m₂v₂ʹ = m₁v₁ + m₂v₂

 

教学片段 1

研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒

问题 1．利用如教材图 1.4–1 所示的装置进行实验。滑块在气垫导轨上进行碰撞，系统的动量是否一定守恒？

问题 2．如何调节才能使气垫导轨水平？又怎么判断？

问题 3．一次实验中，两个数字计时器共记录了几个数据？哪（几）个数据表示碰撞前光电门的挡光时间，哪（几）个表示碰撞后光电门的挡光时间？

问题 4．你如何设计数据记录表？

问题 5．分析比较系统碰撞前后的动量数值，你有什么发现？

问题 6．若将滑块上的两个弹性碰撞架分别换成撞针与橡皮泥，动量是否守恒？

问题 7．若将滑块上的两个弹性碰撞架换成挤压的弹簧，怎么操作才能保证系统所受外力之和为 0？按住滑块的两只手能否先后释放？

问题 8．若碰撞后的速度方向与原来的方向相反，数据该怎样记录？

 

教学片段 2

研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒

问题 1．利用如教材图 1.4–5 所示的装置进行实验。本实验利用什么原理测量两个小球碰撞前后的速度？

问题 2．对于斜槽的放置有无要求？若有，如何调节？你怎么判断斜槽的末端已经水平？

问题 3．对两个小球的质量与大小有无要求？哪个应作为被碰小球？

问题 4．观察小球的落点，你能用一次实验的数据来得出实验结果吗？如果不能，你怎样操作？

问题 5．若要获取多组数据求平均落点，对入射小球的释放位置有无要求？

问题 6．一定要根据水平位移和下落高度求出各小球碰撞前后的速度吗？你有什么想法？

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本实验方案利用平抛运动规律来求小球碰撞前后的速度，那么就需要保证碰撞前后小球都能直接从斜槽末端水平飞出，因此需要选择直径相同的小球，且用重球去碰轻球。在这个过程中，也可以引导学生尝试用轻球去碰重球，分析是否可行，并解释原因。

另外，在本实验方案中也可以不测速度的具体数值，因为做平抛运动的小球下落高度相同，飞行时间 t 也就相同，它们的水平位移 x 与小球开始做平抛运动时的水平速度 v 成正比（x = vt）。

设小球下落的时间为 t，质量为 m₁ 的入射小球碰前的速度为 v₁，碰撞后，入射小球的速度为 v₁ʹ，被碰小球的速庋为 v₂ʹ，则根据图 1–2 有：

OP = v₁t                           v₁ = \(\dfrac{{OP}}{t}\)

OM = v₁ʹt                        v₁ʹ = \(\dfrac{{OM}}{t}\)

ON = v₂ʹt                         v₂ʹ = \(\dfrac{{ON}}{t}\)

本实验设计的巧妙之处在于通过运用平抛运动规律，达到用测量水平位移代替测量速度的目的，将对 m₁v₁ = m₁v₁ʹ + m₂v₂ʹ 的验证转化为对 m₁OP = m₁OM + m₂ON 的验证。

3．“练习与应用”参考答案与提示

本节共设置了 2 道习题。第 1 题利用打点计时器验证动量守恒定律，一方面强化实验数据的处理，要求学生知道哪段是碰撞前小车的位移，哪段是碰撞后小车的位移；另一方面也是对打点计时器的使用进行巩固。第 2 题是教材中的“参考案例 2”，利用斜槽来验证动量守恒定律，主要是帮助学生分析实验误差。

 

1．（1）BC 段，DE 段，打点计时器在这两段所打的点分布均匀，表明小车在这两段内做匀速直线运动；（2）0.684 8 kg·m/s，0.684 0 kg·m/s。

 

2．（1）影响 v₁′ 与 v₂′。实验结果 m₁v₁ > m₁v₁′ + m₂v₂′，小球 1 从低一些的位置下滑，则小球 1 在到达斜槽末端时的实际速度小于第一次测得的速度 v₁，即由小球 1 和小球 2 构成的系统的实际总动量 m₁v₁′ + m₂v₂′ 小于第一次测得的 小球 1 的动量 m₁v₁。

（2）碰撞后系统的总动量大于碰撞前小球 1 的动量。在斜槽末端离地高度不变的情况下，第一次操作导致小球释放位置低于第二次操作时释放小球的位置。小球 1 在第一次操作时到达斜槽末端的速度偏小。假设第一次操作时槽的末端与水平方向的夹角为 θ，则水平方向的动量为 mv₁cosθ，而第二次操作时系统的总动量大于 mv₁。所以，碰撞后系统的总动量大于碰撞前小球 1 的动量。