第1节 实验：探究碰撞中的不变量
一、实验目的
1．明确探究碰撞中的不变量的基本思路．
2．探究一维碰撞中的不变量．
二、实验原理
1．探究思路
(1)一维碰撞：两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这一直线运动，这种碰撞叫做一维碰撞．
(2)追寻不变量：在一维碰撞的情况下，设两个物体的质量分别为m1、m2，碰撞前的速度分别为v1、v2，碰撞后的速度分别为v′1、v′2，如果速度与我们规定的正方向一致，取正值．相反取负值，依次研究以下关系是否成立：
①m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2；
②m1v＋m2v＝m1v′＋m2v′；
③＋＝＋.
探究以上各关系式是否成立，关键是准确测量和计算碰撞前与碰撞后的速度v1、v2、v′1、v′2.
2．实验方案
方案一 利用小车在光滑桌面上碰撞另一静止小车实现一维碰撞，两小车碰撞端分别装上撞针和橡皮泥．实验装置如图所示．
(1)质量的测量：用天平测量质量．
(2)速度的测量：v＝，式中Δx是纸带上两计数点间的距离，可用刻度尺测量．Δt为小车经过Δx所用的时间，可由打点间隔算出．这个方案适合探究碰撞后两物体结合为一体的情况．
方案二 利用等长悬线悬挂等大的小球实现一维碰撞，实验装置如图所示．
(1)质量的测量：用天平测量质量．
(2)速度的测量：可以测量小球被拉起的角度，根据机械能守恒定律算出小球碰撞前对应的速度；测量碰撞后两小球分别摆起的对应角度，根据机械能守恒定律算出碰撞后对应的两小球的速度．
(3)不同碰撞情况的实现：用贴胶布的方法增大两小球碰撞时的能量损失．
方案三 利用气垫导轨实现一维碰撞，实验装置如图所示．
(1)质量的测量：用天平测量质量．
(2)速度的测量：利用公式v＝，式中Δx为滑块挡光片的宽度，Δt为数字计时器显示的滑块挡光片经过光电门对应的时间．
(3)利用在滑块上增加重物的方法改变碰撞物体的质量．
(4)实验方法
①用细线将弹簧片压缩，放置于两个滑块之间，并使它们静止，然后烧断细线，弹簧片弹开后落下，两个滑块随即向相反方向运动(图甲)．
②在两滑块相碰的端面装上弹性碰撞架(图乙)可以得到能量损失很小的碰撞．
③在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥，碰撞时撞针插入橡皮泥中，把两个滑块连成一体运动(图丙)，这样可以得到能量损失很大的碰撞．
方案四 利用斜槽实现两小球的一维碰撞，如图甲所示．让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来，与放在斜槽前边小支柱上的另一质量较小的球发生碰撞，之后两小球都做平抛运动．
(1)质量的测量：用天平测量质量．
(2)速度的测量：由于两小球下落的高度相同，所以它们的飞行时间相等．如果用小球的飞行时间作时间单位，那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平速度．因此，只需测出两小球的质量m1、m2和不放被碰小球时入射小球在空中飞出的水平距离s1，以及碰撞后入射小球与被碰小球在空中飞出的水平距离s′1和s′2.若在实验误差允许的范围内m1s1与m1s′1＋m2s′2相等，就验证了两个小球碰撞前后的不变量．
