验证动量守恒实验的逆向思维设计，本文主要内容关键词为：动量论文,思维论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
动量守恒定律的验证实验通常是提出下列三种方案：(1)利用固定导轨，结合平抛运动，通过测两个小球碰撞前后落地点到抛出点的水平距离来间接测量两个小球碰撞前后速度的方式，来验证动量守恒；(2)利用气垫导轨和光电计时器装置，通过光电计时器来测量两个小车碰撞前后通过光电门的时间，再利用位移，间接得到小车碰撞前后的速度来进行验证；(3)利用速度传感器与计算机结合，通过记录碰撞小车速度随时间变化的图象，利用电脑记录的数据验证动量是否守恒。几乎都是从考虑保证对心碰撞和减少摩擦力的角度着手，以达到保证物体在碰撞时某一方向上动量守恒这一结论。
1.现有实验方案的特点及不足
(1)都利用轨道很好地保证对心碰撞；
(2)都充分考虑到动量守恒的一个条件——系统在某一方向所受合外力为零，在实验的过程中，都尽量在减少摩擦力等外力的影响，例如平抛中，采用空中运动，就只有空气阻力的影响；而气垫导轨，则通过喷出的气体减少小车与轨道间的摩擦力；利用传感器的实验中，则通过用特殊材料制作小车，以减轻小车的重量，从而达到降低摩擦力对实验的影响；
(3)实际教学中，这些方案也有不尽如人意的地方：方案一过程复杂，基本只能演示
的情况，而对于碰撞中
的情况则不能演示和处理，小球落点难以准确确定，且小球落点误差较大；而方案二，尤其是方案三，可能更是不少学校的老师与学生都奢望不到的实验器材，因此从实验验证的普遍性上讲同样是存在弊端。
实际上无论在什么样的实验设计中，我们始终在关注如何准确、方便地测量物体碰撞前后的瞬时速度，以及在碰撞的过程中动量守恒的条件是否有效地被保证，我们多数的老师和学生对于这个实验的设计基本都是从正向思维方式着手，却很少有利用内力远大于外力这个条件来设计验证动量是否守恒。也很少有人想过反其道而行之地利用摩擦力来做这个实验。在这里介绍一种我们已经尝试过的新方案，希望能给大家带来启示，也希望大家多提宝贵意见，使这个实验更加完美。
2.实验原理
如果系统所受的内力远大外力时，则该系统的总动量守恒。
在这个实验当中我们利用物体在轨道上碰撞的瞬间内力远大于系统在水平方向受到的摩擦力这一条件，来验证水平方向上动量是否守恒。碰撞后由于物体受到摩擦力的原因最终会停下，我们可以利用物体做减速运动的位移来求物体碰撞前后的速度。如图1。
图1
(1)从h高度释放一质量为
的物体，可以通过测物体距离停止点A前任意一个位置B的位移，求碰撞前物体的瞬时速度。
(2)在B前的C位置处放置形状相同质量为
的静止物体，如图2。
图2
(3)再从九高度释放小球，碰后物体运动的情况如图3，D、E分别是小球
碰后最终停止点，则碰后小球的瞬时速度
，
可求。
图3
3.材料器具
有一定摩擦的导轨槽（可以用类似生活中的塑料水管、网线槽或电线槽做）；两个形状完全相同的硬质轻小物体（例如水笔帽、电池等），如果需要验证碰后连接在一起的物体动量是否守恒，可以再准备橡皮泥或双面胶之类的材料；如果还想验证碰后反弹或同方向运动时动量是否守恒，也可选质量不同、形状相同的两个轻小硬质物体来做这个实验；米尺（最好固定在轨道上）；天平。
注意：两个形状完全相同的硬质轻小物体，选用硬质轻小物体目的就是在于有效保证碰撞的瞬间内力远大于外力这个条件，硬质是为了减少接触时间，在动量变化量相同的情况下尽量增大内力，而轻小物体是为了保证所受摩擦力可以小一些，需要提醒学生注意的是，我们说的内力远大于外力并不是内力一定要绝对的大，而是相对的大，这一点对于学生理解这个实验非常重要1
4.方法步骤
(1)按照实验原理中讲述的前四条操作。
(2)测出碰撞前后，两物体的从停止点到发生碰撞位置时的距离，记录数据。可以设计一个类似如下的表格：
(3)重复做多次实验。
5.实验技巧
(1)硬质轻小物体的合理选择是实验成功的一个保障。
(2)每次释放轻小的物体保证初始状态尽量一样，这一点也非常重要，一般要经过多次释放的练习才能取得更好的实验效果。
(3)如果实验空间足够大，可以尽量减少轨道制作材料与物体之间的摩擦，这样测得的实验数据就可以更准确些，但可能带来的不便之处就是轨道需要做得更长一些！
6.实验拓展
如果选取不同材料的两个碰撞物体，可以根据释放物体的高度、轨道的倾角以及物体水平通过的位移再计算出摩擦系数的比值，这样，验证动量守恒的原理就变成：
7.实验方案的创新优点
(1)利用摩擦力来验证动量守恒，这种逆向思维给学生带来思想上的新冲击，给学生带来崭新的实验设计思路，突破传统实验设计的固有模式。
(2)纠正学生的一个认知误区：突破在动量守恒中，学生对内力远大于外力理解的局限性，很多学生认为内力远大于外力就是内力要非常大才可以，例如爆炸，事实上不是，这里有一个相对性的问题。我们这个实验设计的巧妙之处就是利用轻小物体受到的摩擦力小，轨道的摩擦也很小，而硬质材料就是减少碰撞的时间，增大碰撞时的内力。当然我们也可以通过加高A或使轨道再光滑一些，再长一些达到减少实验误差的目的，但实际我们做太长的轨道不方便拿到教室去做演示，所以选取适当的长度要合理些。
(3)实际的实验误差小。
(4)由于实验材料完全来自于生活，所以无论在贫困区还是教育发达的地方，都可以根据设计原理和实际情况进行就地取材来做这个实验，从这角度讲，实验具有一定的推广性。