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1、碰撞球拓展实验 程柏（新疆生产建设兵团第七师高级中学 833200）摘要：对实验室原有的牛顿碰撞球实验器做以改进，一方面通过放大器材尺寸、安置放球器穴来直观定性地演示质量不相等的钢球间碰撞规律，另一方面拓展定量的“长摆验证动量守恒”的学生实验，使学生深刻领略到碰撞变化现象背后的守恒美。在科学史上，牛顿正是通过碰撞实验，独创了牛顿第三定律。为有效提升学生的科学素养，特制作“碰撞球拓展实验”的教具。关键词：碰撞球 拓展实验 长摆 动量守恒碰撞球实验是学生在学习动量一章必做的演示实验，主要去探究两个质量相等的钢球对心弹性碰撞规律，发现不变量mv，引出动量概念的教学；进一步，拓展研究碰撞球组间的弹性碰
2、撞，发生动量和动能的传递规律。然而市面上的碰撞球却只是小巧玲珑的玩具，做为实验教学用的演示器，显然不便观察。为了使实验展现的物理现象在学生头脑中留下生动、科学的表象，碰撞球实验所展示的物理现象一定要直观、鲜明。第一，物理现象本身要便于观察，可见度大，能用尺寸大一些就不用尺寸小一些，以尽量增大学生的视角。做演示实验，放大实验室里的碰撞器材比例就显得很有必要。 为此，增大整体框架（长40cm,宽20cm,高32cm），摆线(长18cm)、摆球的线度(大钢球直径32mm，小钢球直径22mm)，使得碰撞回合增多，现象、规律更加明显，如图所示。第二，所展示的物理现象与所要说明的物理问题应具有极为显著的联
3、系，抛开次要因素，突出主要矛盾，减少干扰现象的发生；从简单到复杂，由浅入深，认知层层递进，逻辑紧密。如初次演示弹性碰撞动量守恒、动能不变的现象时，教师若为了让学生感到意外惊奇，马上演示5个碰撞球的情景，这就喧宾夺主了，因为学生此时是不具备能力分析若干个相互作用的动量、能量变化的问题的，因此，开始还是应该先演示两个质量相等的小球弹性碰撞为适宜，再逐步地再去探寻三个、四个乃至五个质量相等的小球间的弹性碰撞规律。因而，在框架上安置放球器穴，便于演示两个质量相同钢球弹性正碰，如下图所示。实验一：演示质量相等的钢球弹性碰撞，发现速度交换的规律，展开动量概念建立的物理学史的新课教学，确立动量mv是一个描述
4、运动强烈程度以及方向的重要守恒物理量。 ABC实验二：学习完弹性碰撞的规律，演示三个质量相同小球间碰撞规律，引导学生正确理解碰撞瞬间，是参与碰撞的两个小球速度交换，第三个小球来不及参与相互作用，而在下一瞬间，才又发生了第二次的速度交换情况；强调动量守恒需要选好研究对象相互作用的系统。如图所示，小球A、B、C质量均为m，将小球B、C同时拉开相同角度后由静止释放，两小球到达最低点时，小球间发生对心弹性碰撞，不计空气阻力。B与A碰撞过程中动量守恒表达式为mv0=mv1+mv2，而不是2mv0=2mv1+mv2实验三：演示5个质量相同的钢球间弹性碰撞，学生自主解释种种变化，深刻领会到动量在5个钢球系统
5、内间的流动与守恒。（1） 将1号球拉开一定的角度（其余四个小球不动）,释放1号球，1号球与2号球碰撞，结果5号球弹起，其余四个小球不动。解释如下：由于等质量小球对心碰撞,小球速度交换,1号球与2号球碰撞后静止下来,由于碰撞的过程时间很短,1号球与2号球碰撞时,2 号球的位置可以看作没有变化2号球与 3号球之间没有挤压力),也就是说2号球瞬间获得一个速度, 然后2号球与3号球碰撞 ,以此类推,最后1号球把速度传递给5号球.（2） 将1号2号两个小球紧挨一起并拉起一定角度释放，碰撞结果是4号5号两小球紧挨一起被弹起相同的高度（其余三个小球不动）。解释如下：释放后,2号球首先与静止的3号球碰撞, 2
6、号球把速度传递给3号球 ,2号球静止下来, 这样一个接着一个碰撞, 最终 2 号球的速度将传递给5号球,5号球被弹起. 几乎在同时 ,1 号球与静止下来的2号球碰撞, 结果使得4号球被弹起. 同理拉起 3 个球(4 个球), 碰撞后在另一侧弹起3个球(4 个球), 保持静止状态的是 2 个球(1个球）第三，在学生已经能较熟练掌握动量守恒规律时，去探索质量不相等的小球碰撞规律，以及不同材料间的小球间的碰撞守恒量，从定性分析到定量探究，就成为了学生兴趣的聚焦热点。教师此时就应该演示质量不相等钢球碰撞，启发学生对更一般情况碰撞规律的思考，激发科学探究兴趣。如下图：学生讨论“动碰静”模型下，大球撞击小
7、球和小球碰撞小球两种不同情景下，碰后的情况，思考如何定量验证动量守恒？第四、 创建定量研究的验证、探索性的“长摆验证动量守恒”实验来满足学生的好奇心，放手让学生间合作，运用科学的思维和方法，去深化物理的守恒观念，辩证地做好误差分析，提升学生的科学素养。1.实验原理如图所示： 利用单摆在平衡位置的速度与它的摆幅成正比的性质来验证动量守恒。将A球沿-X轴方向拉开一段距离（摆角约为5-6度），在纸上记下A球球心投影A0，然后释放，使两球发生正碰，当两球正碰后，到达最高点时抓住小球，（两人各抓一球），再在白纸上记下球心投影.验证 是否相等.2.实验改进： （1）为避免圆锥摆，故采用双线摆能有效实现对心
8、正碰。（2）采用电磁铁做为释放小球的开关，能使实验稳定，减小人为抖动误差。 （3）将投影位置转化为正面刻度位置，便于记录操作。 （4）可换塑料球与钢球非弹性碰撞，验证动量守恒。3.实验装置如图所示： 4.实验数据分析：（1）将大球拉离偏角A.大钢球弹性碰撞小钢球大钢球规格：直径30mm,质量114.5g 小钢球规格：直径25mm,质量68.5g初始位置：1.5cm 初始位置：-1.3cm拉离位置：13.0cm 碰后位置：1.0cm 被碰后位置：-15.0cm系统碰前动量碰后动量相对误差，稍微偏大，系统误差原因可能是偏角稍大。（2） 将小球拉离偏角 小球拉离位置：-15.0cm 大球初始位置：1
9、.5cm 碰后位置：4.0cm 碰后位置：11.5cm系统碰前动量 碰后动量相对误差，符合要求，可视为验证成功！B.用钢球非弹性碰撞塑料球 （将钢球拉离偏角） 钢球规格：114.5g, 直径30mm 塑料球规格：11g, 直径27mm 钢球初始位置：1.5cm 塑料球初始位置：1.4cm 钢球拉离位置：11.2cm 碰后位置：6.5cm 碰后位置：18.0cm系统碰前动量系统碰后动量相对误差，符合要求，可视为验证成功！第五、拓展课外实验“利用碰撞验证牛顿第三定律”。 牛顿在自然哲学的数学原理中详细的叙述了利用碰撞实验验证作用力与反作用力之间存在的关系。实验装置如图所示，两条平行的悬线CE、DF
10、下面各悬挂着小球A和B，两球恰好接触。先把B球拿开，将A球拉至R点后由静止释放，由于空气阻力等因素，A球经过一个周期后只能回到V点，在RV中部取，ST就可以近似地表示A球从S点下落到o点处的速度相同。将B球静止悬挂，A球由S点释放，碰撞后A、B球分别达到I点和M点。用与前面相同方法确定它们在真空中应该可以到达的位置J和N。牛顿认为，一个摆由T点释放运动到o点时的速度v可以用To弦长来表示。这样就把比较困难测量的速度工作转变为容易测量的长度工作了。用机械能守恒很容易证明牛顿这个观点是正确的： （1）联立解得 （2）（3） （1）得 ；为一个定量，所以V与TO成正比。图中，碰撞前A球的动量为Tom
11、A , B球的动量为零；碰撞后A球的动量为OJmA ,B球的动量为O/NmB.牛顿用各种材料、各种摆长的摆实验，发现两球动量改变量基本上都是大小相等、方向相反，即。 根据牛顿第二定律A球动量改变量，B球动量改变量为，所以，即说明作用力与反作用力大小相等，方向相反。这样，牛顿用碰撞实验证实了他独创的牛顿第三定律。 物理实验教具其根本意义在于发挥其教育功能，因此，对于演示实验的仪器进行放大，使得演示现象明显、直观、生动，同时演示的顺序要符合学生认知的规律，符合心理的逻辑，为操作方便进行改进。根据教学过程的自组织转变理论，教学过程是一个学生、教师、教材和环境相互协同的过程，是学生在教师引导下完成对教学内容掌握的同时其认知系统从被组织向自组织转变的过程，碰撞球实验就不能仅仅局限于演示，被组织地学习碰撞规律，还应当拓展为学生用所学到的科学方法去探索新知识、解决新问题，而教师恰恰要在拓展实验上下够功夫，为学生思维涨落提供良好的时机和环境，帮助学生顺利通过临界区域，达到自组织学习的状态，实现教是为了不教的目的。参考文献：1. 张大同.物理（创新班和理科班用).上海教育出版社2. 邢红军. 高中物理高端备课.中国科学技术出版社
