论动量守恒实验的相关改进

李林玥

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。其原理是由运动定律h=12gt，X=vt 用x代替v的测量。

（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M1 X1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調节，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。

参考文献：

[1]韩晓霞.动量守恒定律与能量守恒定律的适用范围研究[J].济南职业学院学报，2013-08-15.

[2]蒋瑭涵.动量守恒定律演示实验装置的优化分析[J].教育现代化，2016-11-14.