第一章動量守恒定律

第4節實驗：驗證動量守恒定律

本節課程的內容主要是通過理論指導實驗，讓學生在實驗中了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點。

了解不同實驗方案的基本思路、實驗裝置及注意事項，最重要的是要能夠對所測量的實驗數據進行

科學分析，最終實現減小實驗誤差，并能夠驗證動量守恒的目的。

【物理觀念】通過兩種實驗方案驗證動量守恒；

【科學思維】按照實驗思路設計不同試驗方案，科學的在不同實驗方案中對各物理量進行測量，對

實驗數據進行分析，最大程度的減小實驗誤差，達到驗證動量守恒的目的；對于發展學生的運動與

相互作用的觀念和科學思維至關重要。

【科學探究】準確理解實驗思路，從更好的執行兩種實驗方案，達到對實驗進行探究或驗證的目的，

在實驗中要注重各物理量之間的相互關系，加深對物體相互作用過程中系統動量守恒的理解；

【科學態度與責任】在物理實驗中要有嚴謹的實驗思路，學會從多個方面思考問題，用實驗來驗證

物理規律，在物理實驗中養成良好的團隊合作精神。

【教學重點】用兩種試驗方案驗證動量守恒的實驗思路與注意事項；

【教學難點】兩種實驗方案中各物理量的測量及實驗數據分析。

一、【引入新課】

動量守恒定律的適用條件是系統不受外力，或者所受外力的矢量和為0。我們生活中的物體受到各

種力的作用，難以滿足這種理想化的條件。但是，在某些情況下，可以近似滿足動量守恒的條件。

二、【進行新課】

探究點一、研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒實驗思路

動量守恒定律的適用條件是系統不受外力，或者所受外力的矢量和為0。我們生活中的物體受到各

種力的作用，難以滿足這種理想化的條件。但是，在某些情況下，可以近似滿足動量守恒的條件。

本案例中，我們利用氣墊導軌來減小摩擦力，利用光電計時器測量滑塊碰撞前后的速度。實驗裝

置如圖所示。可以通過在滑塊上添加已知質量的物塊來改變碰撞物體的質量。

實驗器材

氣墊導軌、光電計時器、天平、滑塊(兩個)、彈簧片、細繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等．

實驗步驟：

1.選取兩個質量不同的滑塊，在兩個滑塊相互碰撞的端面裝上彈性碰撞架（圖1），滑塊碰撞后隨即

分開。

2.在兩個滑塊的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥（圖2），碰撞時撞針插入橡皮泥中，使兩個滑塊連成

一體運動。如果在兩個滑塊的碰撞端分別貼上尼龍拉扣，碰撞時它們也會連成一體。

圖1滑塊碰撞后分圖2滑塊碰撞后粘連

3.原來連在一起的兩個物體，由于相互之間具有排

斥的力而分開，這也可視為一種碰撞。這種情況可以通過下面的方式實現。在兩個滑塊間放置輕質

彈簧，擠壓兩個滑塊使彈簧壓縮，并用一根細線將兩個滑塊固定。燒斷細線，彈簧彈開后落下，兩

個滑塊由靜止向相反方向運動（圖3）。

圖3彈簧使靜止滑塊分開

物理量的測量

(1)滑塊的質量用天平直接測量。

(2)速度的測量：v＝，式中的Δx為滑塊上擋光板的寬度，Δt為光電計時器記錄的滑塊上的擋

光板經過光電門的時間。

碰撞情境的實現

利用輕質彈簧、細線、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等設計各種類型的碰撞，通過在滑塊上添

加已知質量的物塊來改變碰撞物體的質量。

(1)情境1：質量不同的兩滑塊，一靜一動碰撞；

(2)情境2：兩滑塊追碰、相向碰，碰撞后分開；

(3)情境3：兩滑塊擠壓彈簧后用細線連接，燒斷細線后兩滑塊分開；

(4)情境4：兩滑塊碰撞后，撞針插入橡皮泥中，使滑塊連成一體。

數據記錄與處理

(1)規定正方向，碰撞前后速度的方向與正方向相同為正，相反為負。

(2)通過計算碰撞前后的總動量，檢驗是否滿足動量守恒定律。

探究點二、研究斜槽末端小球碰撞時的動量守恒

本案例中，我們研究兩個小球在斜槽末端發生碰撞的情況。

實驗器材

斜槽、小球(兩個)、天平、復寫紙、白紙等．

測質量：用天平測出兩個小球的質量，并選質量大的小球為入射小球。

實驗裝置：

將斜槽安裝在水平桌面上，并調整斜槽使其末端水平，在地面上鋪上白紙，上面再鋪好復寫紙，記

下重垂線所指的位置O。

實驗操作：

如圖所示。將斜槽固定在鐵架臺上，使槽的末端水平。讓一個質量較大的小球（入射小球）從斜槽

上滾下跟放在斜槽末端的另一個大小相同、質量較小的小（被碰小球）發生正碰。

使入射小球從斜槽不同高度處滾下，測出兩球的質量以及它們每次碰撞前后的速度，就可以驗證動

量守恒定律。

實驗裝置

小球的質量可以用天平來測量。怎樣測量兩球碰撞前后瞬間的速度呢？兩個小球碰撞前后瞬間的速

度方向都是水平的，因此，兩球碰撞前后的速度，可以利用平拋運動的知識求出。

在這個實驗中也可以不測量速度的具體數值。做平拋運動的小球落到地面，它們的下落高度相同，

飛行時間也就相同。因此，小球碰撞后的速度之比就等于它們落地時飛行的水平距離之比。根據這

一思路，也可以驗證動量守恒定律。

實驗操作：

注意事項：

(1)“水平”和“正碰”是操作中應盡量予以滿足的前提條件。

(2)斜槽末端必須水平。

(3)入射球的質量應大于被碰球的質量。

(4)入射球每次都必須從斜槽上同一位置由靜止開始滾下。

隨堂練習

例1如圖所示，用碰撞實驗器可以驗證動量守恒定律，即研究兩個小球在軌道水平部分碰撞前后的

動量關系．

(1)實驗中，直接測量小球碰撞前后的速度是不容易的，但是，可以通過僅測量______(填選項前的符

號)，間接地解決這個問題．

A．小球開始釋放高度h

B．小球拋出點距地面的高度H

C．小球做平拋運動的射程

(2)圖中O點是小球拋出點在地面上的垂直投影，實驗時先讓入射球m1多次從斜軌上Q位置靜止釋

放，找到其平均落地點的位置P，測量平拋射程OP，然后，把被碰小球m2靜置于軌道的水平部分，

再將入射球m1從斜軌上Q位置靜止釋放，與小球m2相碰，并多次重復．接下來要完成的必要步驟

是________．(填選項前的符號)

A.用天平測量兩個小球的質量m1、m2

B.測量小球m1開始釋放的高度h

C.測量拋出點距地面的高度H

D.分別找到小球m1、小球m2相碰后平均落地點的位置M、N

E.測量平拋射程OM、ON

【答案】：(1)C(2)ADE

【解析】(1)小球碰前和碰后的速度都用平拋運動來測量，即v＝.而由H＝gt2知，每次豎

直高度相等，平拋時間相等．即m1＝m1＋m2；則可得m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，故只

需測射程，C項正確．

(2)由表達式知，在OP已知時，需測量m1、m2、OM和ON，故必要步驟為A、D、E.

例2某同學用如圖甲所示裝置來驗證動量守恒定律，實驗時先讓小球a從斜槽軌道上某固定點處由

靜止開始滾下，在水平地面上的記錄紙上留下痕跡，重復10次；然后再把小球b靜置在斜槽軌道末

端，讓小球a仍從原固定點由靜止開始滾下，和小球b相碰后，兩球分別落在記錄紙的不同位置處，

重復10次．回答下列問題：

(1)在安裝實驗器材時斜槽的末端應________．

(2)小球a、b質量ma、mb的大小關系應滿足ma________mb，兩球的半徑應滿足ra________rb.(均

選填“＞”“＜”或“＝”)

(3)本實驗中小球平均落地點的位置距O點的距離如圖乙所示，小球a、b碰后的平均落地點依次是

圖乙中的________點和________點．

(4)在本實驗中，驗證動量守恒的式子是下列選項中的________．

A．ma·OC＝ma·OA＋mb·OB

B．ma·OB＝ma·OA＋mb·OC

C．ma·OA＝ma·OB＋mb·OC

【答案】(1)保持水平(2)＞＝(3)A,C(4)B

【解析(1)小球離開軌道后應做平拋運動，所以在安裝實驗器材時斜槽的末端必須保持水平，才能使

小球做平拋運動．

(2)為防止在碰撞過程中入射小球被反彈，入射小球a的質量