Question

為了驗證動量守恒定律（探究碰撞中的不變量），某同學選取了兩個材質相同，體積不等的立方體滑塊A和B，按下述步驟進行實驗：
步驟1：在A、B的相撞面分別裝上尼龍拉扣，以便二者相撞以后能夠立刻結為整體；
步驟2：安裝好實驗裝置如圖甲，鋁質軌道槽的左端是傾斜槽，右端是長直水平槽，傾斜槽和水平槽由一小段弧連接，軌道槽被固定在水平桌面上，在軌道槽的側面與軌道等高且適當遠處裝一臺數(shù)碼頻閃照相機；
步驟3：讓滑塊B靜置于水平槽的某處，滑塊A從斜槽某處由靜止釋放，同時開始頻閃拍攝，直到A、B停止運動，得到一幅多次曝光的數(shù)碼照片；
步驟4：多次重復步驟3，得到多幅照片，挑出其中最理想的一幅，打印出來，將刻度尺緊靠照片放置，如圖乙所示．

（1）由圖分析可知，滑塊A與滑塊B碰撞發(fā)生的位置

 

．
①在P₅、P₆之間
②在P₆處
③在P₆、P₇之間
（2）為了探究碰撞中動量是否守恒，需要直接測量或讀取的物理量是

 

．
①A、B兩個滑塊的質量m₁和m₂
②滑塊A釋放時距桌面的高度
③頻閃照相的周期
④照片尺寸和實際尺寸的比例
⑤照片上測得的S₄₅、S₅₆和S₆₇、S₇₈
⑥照片上測得的S₃₄、S₄₅、S₅₆和S₆₇、S₇₈、S₈₉
⑦滑塊與桌面間的動摩擦因數(shù)
寫出驗證動量守恒的表達式

 

．
（3）請你寫出一條有利于提高實驗準確度或改進實驗原理的建議：

 

．

Answer 1

分析：根據(jù)勻變速直線運動的推論分別研究碰撞前滑塊在P₄、P₅的速度，根據(jù)P₆、P₅和P₅、P₄速度差相等研究P₆的速度，同理求出碰撞后滑塊P₇、P₈的速度，再速度差相等求出碰撞后共同的速度．

解答：解：（1）P₆位置滑塊速度明顯減小，故A、B相撞的位置在P₆處，故②正確．
（2）設碰撞前滑塊A在P₄、P₅、P₆的速度分別為v₄、v₅、v₆，
 碰撞后，整體在P₆、P₇、P₈的速度分別為v₆′，v₇、v₈，
則v₄=

S34+S45

2T

，v₅=

S45+S56

2T

，又v₅=

v4+v6

2

，
得到碰撞前滑塊A速度v₆=

2S56+S45-S34

2T

，
同理，碰撞后整體的速度v₆′=

3S67+S78-S89

2T

，
原來需要驗證的方程為m₁v₆=（m₁+m₂）v₆′，
將上兩式代入整理得：m₁（2S₅₆+S₄₅-S₃₄）=（m₁+m₂）（2S₆₇+S₇₈-S₈₉），
即需要驗證的表達式，需要直接測量的物理量是：
A、B兩個滑塊的質量m₁和m₂及S₃₄、S₄₅、S₅₆和S₆₇、S₇₈、S₈₉；故①⑥正確．
（3）提高實驗準確度或改進實驗原理的建議：
①使用更平整的軌道槽，軌道要平整，防止各段摩擦力不同，滑塊做非勻變速運動．
②在足夠成像的前提下，縮短頻閃照相每次曝光的時間，碰撞時間很短，縮短頻閃照相每次曝光的時間，使滑塊碰撞位置拍攝更清晰、準確．
③適當增大相機和軌道槽的距離，相機和軌道槽的距離較小時，由于鏡頭拍攝引起的距離誤差增大，應適當增大相機和軌道槽的距離．
④將軌道的一端墊起少許，平衡摩擦力，使得滑塊碰撞前后都做勻速運動．
故答案為：（1）②；（2）①⑥；m₁（2S₅₆+S₄₅-S₃₄）=（m₁+m₂）（2S₆₇+S₇₈-S₈₉）；（3）使用更平整的軌道槽．

點評：本題原理較為復雜，可采用平衡摩擦力，使碰撞前后滑塊都做勻速直線運動，方便易行．