发布时间:2019-11-20所属分类:科技论文浏览:1次
摘 要: 摘 要: 动量守恒定律是人们最早发现的能量守恒定律之一。动量守恒定律能力,在没有外力的约束下,系统中的总动量始终是不会变的。为了验证这一理论的正确与否,人们做了相关的实验来验证这一定律的正确性,这一实验被称为验证动量守恒定律的实验。验证动量守
摘 要: 动量守恒定律是人们最早发现的能量守恒定律之一。动量守恒定律能力,在没有外力的约束下,系统中的总动量始终是不会变的。为了验证这一理论的正确与否,人们做了相关的实验来验证这一定律的正确性,这一实验被称为“验证动量守恒定律”的实验。“验证动量守恒定律”的实验在理论上清楚明白,但由于实验的操作和设计过于繁琐,加之同学间的水平不同,实验获得的结果很容易出现误差。文章就简化实验设计步骤,提高实验效果提出了改进的方法。文章从高中生的角度出发,结合自身所学相关知识,试论动量守恒实验的相关改进。
关键词: 动量守恒; 验证; 动量守恒定律; 实验改进
动量守恒定律实际上是能量守恒定律的一种体现,在现实生活中,所有的物体都会因为动能的改变而使自身的动量发生改变,然而动量的改变也是有规律可循的。在一个系统中,只要能量不被转化为其他形式的能量,那么动量就只会与冲量相互转化,那么在系统中的总动量是不变的。
一、动量守恒实验的改进
动量守恒是能量守恒的一种表现形式,事实上,能量守恒与动量守恒都是广泛存在于自然界和人们的日常生活中的。动量守恒定律具有普遍适用性,即是一个实验规律又可用牛顿第三定理和动量定理进行推导,但现行高中物理课本中关于《验证动量守恒定律》的学生实验,是要求研究两小球正碰时的规律。可是使用的实验装置却是为做斜碰实验设计的,使用实验器材多,像教材上那样搬来做正碰实验,对心碰撞操作较难,不易调节,且误差较大。笔者认为,可以改变实验所需器材、改变实验步骤和改变具体实验过程,以下对其进行逐一介绍:
(1)实验所需器材。实验运用的主要器材有两小球、圆规、量角器、重锤、棉线、弹簧、天秤、复写纸、刻度尺和白纸。注意事项有,弹簧要连接两个小球,量角器应该精准,圆规必须方便画圆,刻度尺上面不能够模糊,白纸应该准备三张或者三张以上。棉线的作用是将重锤吊起,重锤主要用来测量桌面是否垂直,复写纸是为了能够让白纸上留下球落地的痕迹,圆规的作用是是以圆心为点画一个圆。
(2)改变实验步骤。针对上述问题,笔者对该实验进行了如下简单的改进:质量为 M1、M2 的两个小球中间放一根压缩的弹簧将其分别置于高为 h 的水平桌面两侧。弹簧松开后,小球分别弹出作平抛运动,落地时在事先铺置于桌底的白纸上留下痕迹。多次实验取痕迹最小半径圆中心为落地点,分别测得落地点与桌的距离X1、X2,只需验证 M1X1 = M2X2 即可。
(3)改变具体实验过程。具体实验过程包括以下五点:一是桌面水平检验:在实验桌边悬挂重锤,观察棉线是否与量角器九十度角线重合。二是仪器安置:将放置于桌面的长弹簧压缩至比桌长略短,在两端分别轻轻放置两个小球,使小球刚好静止于桌沿。并在桌下铺设一张垫有复印纸的白纸。三是松开弹簧使小球自由弹落,小球砸中白纸留下痕迹。多次重复后取出白纸,利用圆规作出最小能包含所有较深颜色墨迹的圆,圆心即为落地点。四是数据测量与处理:测出落地点与桌水平距离。多次实验取平均值分别得 X1、X2,计算比较 M1X1 与 M2 X2 的大小。五是分析得出结论:在误差允许的范围内 M1 X1 与 M2 X2 的大小相等,即在本实验中动量守恒。
二、动量守恒实验改进后的优点
教科书上的动量实验具有较大的局限性,这是毋庸置疑的。原因有很多,首先两球碰撞的时候,碰撞点具有较大的随机性,有时候多次对碰也不能够使两球对心碰撞;其次这种碰撞的方式不容易调节,容易受到摩擦力以及空气阻力的干扰; 最后测量出来的数据误差比较大,即使多次实验后得到的平均数据也跟真实数据有较大的出入。相对于教科书上的动量实验,动量守恒实验改进后却有很多的优点,以下列举三个方面进行逐一分析:
( 一) 误差小
教科书上的动量实验随机性较大,造成的误差也大,即便多次实验去结果的平均值,依然会跟有正确答案着较大的出入和误差。改进后的动量实验误差较小,因为这个实验的依据并不是两球的对心碰撞,而是将其转化为平抛运动,获得其运动轨迹,干扰因素较少。此外,该试验选择数据的方式也比较合理,取多次小球落地后的平均点,得到的数据是平均值,大大减少了误差。
( 二) 省时省力
教科书上的动量守恒实验比较费时费力,因为具有较大的随机性,所以必须做多几次实验,才能够取得平均值,尽可能地减少实验误差。而改进后的动量守恒实验具备省时省力的特点,并不需要多少次实验就能够得出比较有效的数据,并将这些有效的数据平均,迅速得出接近真实数据的答案。改进后的动量守恒实验操作也比较简单,只需要在球落地后标注好圆心,并将球心作为圆心用圆规画圆即可,在多次画圆后便可以得到球体清晰的运动轨迹,从而迅速了解小球的运动状态。
( 三) 容易掌握和调节
教科书上的动量守恒实验并不容易掌握和调节,一方面对心碰撞的随机性较大,另一方面两个小球的碰撞也不容易掌控。改进后的动量守恒实验却很容易被实验者掌握或者调节,因为两球被弹簧连接起来了,需要掌控的数量少了。另外,各种数据也非常容易测定,如桌面高度,球的落地点与桌角的距离,球的运动轨迹等等。另外,如果出现了较大的误差,也能够很快地纠正过来,如桌子与地面不够垂直,纸面不够洁白以及复写纸纸印不够深等等,只要发现这些不足,就能够很快地将其纠正。
综上所述,动量守恒是能量守恒的一种表现形式,事实上,能量守恒与动量守恒都是广泛存在于自然界和人们的日常生活中的。碰撞点具有较大的随机性,有时候多次对碰也不能够使两球对心碰撞;其次这种碰撞的方式不容易调节等等,改进后的动量实验误差小、省时省力、容易掌握和调节,能够更好地验证动量守恒定理,是非常科学合理的实验方式。
推荐阅读:《物理通报》(月刊)创刊于1982年,是由河北省物理学会;中国教育学会物理教学专业委员会主办的我国唯一的以教学研究为主的期刊。是我国唯一的以教学研究为主,横跨中学物理与大学物理教学,关注物理学发展和应用,关注国内外物理教学改革,注意科学与文化结合,注重科学文化品味的综合性物理杂志。有投稿需求的,可以直接与期刊天空在线编辑联系。
SCISSCIAHCI