正文 第17章 物理活動課內容選編(7)(2 / 2)

高中物理課本(甲種本)第一冊“研究彈性碰撞”實驗裝置中斜槽末端與支持被碰小球的小的支柱等高。入射小球與被碰小球碰撞後,入射小球從斜槽末端水平拋出的速度不大,它經過斜槽末端與小支柱之間的水平間隙時下降的豎直高度不能忽略,入射小球一定會跟小支柱碰撞。

實際做這個實驗,動量和動能損失都較大。江西省永新縣禾川中學羅明遠老師用下麵兩法改進之。

(1)把兩球半徑相等改為被碰小球的半徑r2大於入射小球的半徑r1(兩球分別選密度不同的彈性材料,保證入射小球的質量m1大於被碰小球的質量m2)。實驗時調節小支柱,使兩小球的球心等高,並使斜槽末端點與小支柱中心的水平距離為r1+r2,見圖1(圖1、圖2中入射球的質量都為被撞小球質量的3倍)。

(2)去掉小支柱結構,盡量選取光滑斜槽軌道,讓入射球在斜槽軌道末端水平部分與原靜止的小球發生正碰(如圖2)。這樣一改,不僅裝置簡單,而且去除了小支柱調試不當對實驗的影響,省去了小球半徑的測定。

通過近幾年來學生的多次實驗,證明用上麵的兩種方法改進後的這個實驗均能收到很好的效果。

順便指出,根據彈性碰撞中動量和動能守恒,可得質量為m1的入射球以速度u1與原靜止的質量為m2的被碰球發生彈性碰撞,碰後m1的速度u1′=m1-m2m1+m2u1m2的速度u2′=2m1m1+m2u1該實驗中u1、u1′及u2′可分別用圖中的線段OP、OM及O′N的長度來表示(見課本圖10-19)。用刻度尺量得課本中這三條線段的長度,分別代入上述u1′及u2′的表達式中,然後由這兩個式子聯解可得m1≈12m2。兩球的半徑相等,而質量比為12倍,這也是不妥的。因為在實際中,兩種彈性材料的密度比為12倍很難辦到;若m2為密度小的材料製成的空心球,不僅製造困難,具多次實驗也容易打碎。即使這些問題都能解決,m2因與m1體積相等,而重力隻有m1的1/12,碰撞後m2的速度u2′又為u1′的24/11倍(以m1-12m2計算),則m2所受空氣阻力的影響就比m1大得多,這將影響實驗的效果。另外課本中該圖的線段O′N的長度不等於OP+OM的長度,這與由動量守恒和動能守恒兩個關係式聯解得到的u2′=u1+u1′相矛盾。從以上分析可知,該插圖與實際不符。筆者認為實驗教學中的每一個細節都應做到經得起推敲。

測定物質的密度

基本原理:先測物體的質量m,再測物體的體積V,然後用公式ρ=m/V計算物體的密度。

問題1:給你器材如下,托盤天平1架,量筒1隻,一定量的某種待測液體,請你用上述器材測出待測液體的密度。要求:

(1)簡要說明測量的主要步驟及需要測量的物理量。

(2)用測得的物理量寫出計算液體密度的表達式。

[分析與解]問題1的題設條件中所給定的器材是天平和量筒,因而質量和體積可直接測得,因此本問題是測定物質密度的基本問題,它所涉及的方法是測定物質密度的基本方法,其解法如下。

(1)步驟:①用天平稱出空量筒的質量(m1)。

②向量筒內注入適量的待測液體,再用天平稱出它們的總質量(m2)。

③讀出量筒內液麵所達到的刻度(V)。

(2)表達式:ρ液=m2-m1V。

問題2:現有托盤天平1架,空瓶1隻,水和某種液體。試用上述器材測定所給定的液體的密度。

[分析與解]與問題1相比,問題2的題設條件所給定的器材中,有天平缺量筒,增加了水和一隻空瓶,液體的質量可由天平直接測得,但缺少量筒,液體的體積隻能用天平、空瓶和水的組合來代替量筒測定。這種組合方法可稱為“天平稱體積法”,它實際上是用天平和空瓶稱出一定質量的水,通過已知常數ρ水進行計算和標記水的體積,借此來量取液體的體積。解題過程如下:

(1)步驟:①用天平稱出空瓶的質量(m1)。

②向瓶內裝滿水後,用天平稱出它們的總質量(m2)。

③將瓶內的水改裝滿待測液體後,用天平稱出它們的總質量(m3)。

(2)表達式ρ液=m3-m1m2-m1ρ水。

問題3:盛有適量水的量筒一隻,某種金屬製成的瓶蓋一隻,試用上述提供的兩種器材測定瓶蓋金屬的密度。

[解](1)步驟:

①讀出量筒內水麵所達到的刻度(V1)。