实验:探究碰撞中的不变量

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本节开始学习高中物理选修3—5,虽然这本书叫做选修,但在高考分值占比很大。本节为一个探究形实验,探究在碰撞过程中的一个守恒量,这个守恒量其实就是同学们后面学的动量守恒定律。


追寻碰撞过程中的不变量猜想

高中阶段,只研究最简单的碰撞——一维碰撞,即物体之间的碰撞只在一条直线上。在一维碰撞的条件下,很容易看出与物体碰撞有关的物理量只有质量和物体的速度,那么我们可以猜想,一维碰撞的物体之间,它们的质量和速度是不是存在守恒关系呢?

为方便量化计算,设碰撞的两个物体质量分别为m1、m2,碰撞前它们速度分别为v1、v2,碰撞后的速度分别为v1’、v2’。

规定某一方向为正方向,我们可以列出如下猜想。

(1)碰撞前后,两物体质量与速度积之和不变。

(2)碰撞前后,两物体质量与速度平方积之和不变。

(3)碰撞前后,两物体质量与速度比值之和不变。

追寻碰撞过程中的不变量实验——用小车研究碰撞

实验装置

 

实验步骤和原理

如上图所示,把打点计时器固定在光滑的桌面上的左端(如果桌面不光滑需平衡摩擦力),纸带穿过打点计时器的限位孔,连接到小车(小车A),小车A与小车B的碰撞端分别装上针和橡皮泥;然后让小车A向右匀速运动,小车B静止在小车A右端,两小车会发生碰撞,碰撞后两小车连接成一体。

通过纸带可以计算出小车A碰前和碰后的速度,通过托盘天平可以测得两小车的质量,这样就得出了两小车碰前碰后质量和速度,然后验证前面的猜想。

实验结论

通过大量重复做实验,我们发现物体在碰撞过程中确实有不变量——碰撞前后,物体的质量与速度积之和不变。(其实这就是后面所学的动量守恒定律,mv就是动量)


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