“实验探究碰撞中的不变量”几个注意点和应对措施

居 津 刘 鲲

（1.江苏省苏州实验中学，江苏 苏州 215011；2.苏州工业园区东沙湖学校，江苏 苏州 215000）

笔者有幸参加了2013年苏州市的评优课比赛：实验探究碰撞中的不变量.因此和同事一起对高中物理选修3 5中有关于探究碰撞中的不变量实验进行了一次深入的研究.笔者发现如果要让学生实验探究碰撞中的不变量，唯有用气垫导轨才能全面反映各种典型碰撞.而使用DISLAB可以大大提高课堂效率，使学生真正在课堂上探究出各种典型碰撞中的不变量.笔者在实验过程中发现有以下几个问题是影响实验结果的重要因素.

1 气垫导轨的调平问题

气垫导轨是本次实验最重要的实验器材，对气垫导轨的调平需要反复地调节平衡旋钮，反复地利用滑块进行测试，需要比较长的时间.一旦调平后，气垫导轨便不可以再移动.笔者也在这个环节花费了时间.正常情况下气垫导轨在调节的过程中，如果导轨不水平，滑块应该处于加速或减速状态.但是笔者在调节过程中，利用DISLAB光电门显示滑块速度却是时而加速，时而减速，非常不稳定，让人感觉非常疑惑，连续测试几个导轨，或多或少都有这种情况出现.通过与同行教师的交流，发现这个问题还是比较普遍.

造成这种现象的原因只有一个，即气垫导轨本身不平.那为什么会出现这样的情况呢？早期的气垫导轨非常笨重，出厂的时候经过严格的检测，是比较标准的.但在使用后存放过程中，导轨两边的支点起到了支撑的作用，而中间却是悬空的，由于导轨本身重力的作用，使得其中部下弯，而形成了肉眼难以察觉的“U”型.有些导轨存放的时候中部可能有了支撑，但由于支撑的点比较少，而导轨相对较长，故形成有支撑的地方高，没有支撑的地方低的情况，变成的“W”型（如图1）.这种气垫导轨有3处有支撑，这3个有支撑处在调试过程中就比其他部分要略高.虽然气垫导轨下凹上凸的程度是比较小的，但在实验中，由于滑块和导轨之间的摩擦力比较小，而DISLAB光电门是精密仪器，所以造成的影响相对来说就比较大了.

图1

鉴于以上这种情况，建议在气垫导轨的储存过程中，最好能够使得气垫导轨的每一部分都能够有支撑物的支撑，或者对导轨的支撑点能够尽可能的多，这样才能更好地保证导轨自身的平整性，以减小误差.

实验时气垫导轨已经弯曲了，那有没有办法能将这个问题所带来的影响减小呢？笔者采用调整光电门的距离来解决.

2 光电门的间距问题

在探究碰撞中的不变量实验中，测量滑块碰撞前后速度是本实验的关键.它的准确与否，直接影响实验的成败.笔者采用DISLAB光电门计时以测定滑块速度.开始笔者将光电门随意放置在气垫导轨上的任意2个位置，如果在一个绝对水平的气垫导轨上是不会有什么影响的，但笔者实验后发现误差相当大.

大家都知道动量守恒发生在2个滑块碰撞的瞬间，所以需要测量的是碰撞前后的瞬时速度，因此2个光电门的摆放位置最好在碰撞点附近.如果是绝对水平的气垫导轨，碰撞前后滑块都做匀速直线运动，那对测量也没有影响，但是如果导轨出现变形的问题，势必误差会很大.

光电门所放位置应尽量靠近碰撞点.当然，也不是越小越好，它必须满足能够同时容纳2个滑块及挡光片在其中.由于光电门距离相对较短，所以如果整段导轨如果不是十分平整也无大碍，我们可以选取相对较平整的一段进行碰撞实验的探究.

注意事项：（1）实验时必须保证运动滑块的挡光片在完全通过第一个光电门之后才能与另一滑块相撞，这样才能使挡光片准确测算出遮挡时间，从而算出碰撞前的速度.否则，所测速度并非是碰前速度，实验误差将会非常大.（2）由于光电门之间的距离即2个滑块碰撞的范围，正是由于这个距离相对较小，故对实验人员的操作要求也就相应提高.探究碰撞中的不变量有4个典型碰撞实验：即一滑块碰静止等质量另一滑块（碰后交换速度）；质量大的滑块碰质量小的静止滑块（碰后质量大的滑块速度几乎不变，质量小的滑块速度较大）；质量小的滑块碰静止质量较大滑块（碰后质量小的滑块反弹）；质量不等的两滑块相向碰撞.实验中如果是测量2个滑块相向碰撞，难度会比较大，比较难以保证2个滑块的挡光片都能够通过各自的光电门后再进行碰撞，这需要在实验中找感觉，寻找恰当的初速度，多试几次，得到需要的实验数据.

3 挡光片的宽度问题

在配套的实验器材中，有各种不同的挡光片.有的是1个挡片，有的是2个挡片.1个挡片的还有不同的宽度.最窄的挡光片宽度为2cm，最宽的有8cm.本探究实验中应选用何种类型的挡光片能使实验误差最小呢？

图2

图3

如果我们仔细观察光电门，就会发现光电门上有2个端口，一个是发射端（发出激光或红外线），一个是接收端.在使用的过程中，发射端持续发射光波，如果挡光片介于发射端和接收端之间，便遮挡了光波.此时，系统便开始计时.一般情况下，光电门在计时的时候分为2种模式，第1种采用的是如图2中的挡光片.当挡光片的第1条挡光条（视左边为第1挡光条）遮挡光波时开始计时，第2个挡光条遮挡光波时停止计时，那么挡光片的有效长度可视为第1个挡光条的左边缘到第2个挡光条的左边缘之间的长度.计算该距离与时间的比值，就得到了滑块移动的速度.第2种采用的是如图3的挡光片.当挡光片遮挡光波时开始计时，停止遮挡时停止计时.则挡光片的长度即为图示长度.利用该长度计算其与测量时间的比值，便得出了滑块移动的速度，理想情况下这2种方式看起来形式不同，且效果应该是一致的.但在气垫导轨的实验中，我们往往采用的是第1种挡光片而不采用第2种挡光片.这是为什么呢？如果我们仔细观察光电门，我们会发现光电门的发射端和接收端是2个遥相呼应的小圆孔，没有挡光片的时候，发射端发出的光波理所应当的会进入到接收端中，如果此时挡光片出现在圆孔部位，从圆孔一端移动到另一端的过程中，接收端接收的光波是逐渐减弱的，当减弱到一定程度时，光电门就会发出改变计时状态的信号.反之，当挡光片离开光电门时，接收端接收的光波是逐渐增强的，当增强到一定程度，光电门也会发出改变计时状态的信号.由于光电门的制作工艺问题，每一个光电门发出开始计时信号和停止计时信号时被遮挡的光强程度是不一样的，所以当采取第2种方式时便可能出现比较大的误差.例如，当1个光电门在被遮挡一半时开始计时，而在被露出停止计时，这样滑块实际移动的距离便是挡光片的长度与之和，而代入系统的长度仅仅是挡光片的长度，由此产生了误差（如图4）.若采用第1种方式便没有以上问题，同一个光电门总是在被遮挡相同程度来改变计时状态，误差便大大减小.

图4

笔者采用的DISLAB内置编程第2种挡光片来计时的，故须解决如何在利用第2种挡光片计时的过程中减小误差.方法是加宽挡光片的宽度，让挡光片通过光电门的时间相对变长，这样在绝对误差不能改变的情况下能够减小相对误差，达到减小误差的目的.但是如果挡光片过于太宽的话，也势必带来增加两光电门之间距离的问题.所以建议所用挡光片宽度在6～8cm就可以了（如图5）.

图5

4 气孔的密集程度和滑块移动的问题

如果仔细观察实验，会发现在实验中，有时滑块在运动过程中会有所晃动.所以滑块的移动是否顺畅也是左右实验是否成功的关键，移动平顺的滑块与滑轨的阻力达到最小，对实验结果的影响也就达到了最小.

图6

我们知道，导轨的气孔越密集，对有一定宽度的滑块受力就越均衡，移动就能够越顺畅.但是我们也不能片面地增加气孔的数量，因为在气泵功率较小的情况下，气孔多了，气压降低，很可能托不起滑块，造成实验失败.而且厂制的导轨也不允许改变气孔的密集程度.图6展示了所用气垫导轨的气孔密集程度，显然比较稀疏.实验时当滑块运动到两气孔之间时有轻微的上下颠簸左右晃动.那如何避免滑块在运动过程中来回摆动的问题呢？

建议：（1）在滑块的配重上下功夫.滑块滑动的平稳，重心应该尽量的低，并且处于滑块的几何中心处.在实验中应尽量保证滑块左右配重对称，挡光片也应尽量安装在滑块正中间而非滑块的一侧，以免造成滑块重心的偏移.但是配重也不能太多，在气孔较少、气泵功率较小的情况下，如果配重太重很可能会出现不能让滑块浮起的现象.这也需要在实验中仔细观察滑块的运动情况决定最后需要加多少配重.（2）推动滑块的方法和位置也十分关键.一般情况下，很多的学生是直接用手随意地去推动滑块.这样做有一个弊端即导致滑块受力不均匀.用手直接推动的过程中，除了会给滑块一个向前的力之外，还可能会有一个向其他方向的分量.在这个分力的作用下，滑块会发生抖动，造成运动顺畅度欠佳，影响实验结果.所以笔者建议用一根直尺紧贴导轨的梁轻轻推动滑块来代替手推滑块，使滑块向前移动（如图7）.

图7