摘要：气垫滑轨实验中，理论上是无磨擦的，在实验时控制好条件，理论上在偏差容许的范围内应当是守恒的，可为何我们的实验数据与理论不相符。本文针对这个问题，做了如下实验。
关键词：气垫滑轨碰撞动量守恒定理
中图分类号：G642.0文献标示码：CDOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.21.153
“验证动量守恒定理”是人民教育出版社必修3-5第十六章第二节的内容，本实验是小学数学高考查的验证性实验之一。在近几年的中考中都有出现。
在普通数学新课程标准中对这一部份有所划分。课标要求一共有三点，分别为：
第一，探究物体弹性碰撞的一些特性。晓得弹性碰撞和非弹性碰撞。
可以通过光滑水平面上或气垫滑轨上物体的碰撞来学习弹性碰撞，也可以通过频闪相片的剖析来学习。关于弹性碰撞和非弹性碰撞，中学生晓得以是否有机械能的损失来分辨就可以了，不比设计能量损失的多少。
第二，通过实验，理解动量和动量守恒定理，能用动量守恒定理定性剖析一维碰撞问题。晓得动量守恒定理的普遍意义。
虽然才能把力与质量、加速度的关系式变型来得到动量定律，从而得到动量守恒定理，并且因为这个定理的普遍性和独立性，标准要求直接通过实验来学习它。关于动量守恒定理，要求是较高的“理解”层次，应当就能在不同的情景中应用。
要求用动量守恒定理剖析一维碰撞问题和反冲运动。可以学习“系统”概念。
第三，通过数学学中的动量守恒定理，感受自然界的和谐和统一。
这条标准是对情感方面的要求。要求达到这样的要求，一是要明白相对论推论的含意，二是要晓得完善的过程，即旧的理论遇见了哪些问题，是如何解决的，新的理论如何得到了实验和观测的支持。
在活动建议中，制做水灰熊是一项成熟的课外活动，所用材料简单，成功率高，应当做一做。
气垫滑轨（简称气轨）是实验室常用的热学实验装置。在数学学中有好多实验都应用到，例如说验证力与加速度、质量的关系即牛顿第二定理；验证机械能守恒定理等实验。在气轨上研究各类碰撞情况是很有趣的，对深刻理解动量守恒定理是很有帮助的。若物体系所受合外力在某个方向的份量为零，则该物体系在这个方向上的总动量守恒。则理论上m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'其中v1为m1的碰前的速率，v1'为m1碰后的速率，v2为m2碰前的速率，v2'为m2碰后的速率。本实验研究验证两滑块从不同方向运动相撞的动量守恒定理。
本实验采取两质量相等的滑块，在偏差容许的范围内只需看速率差值即可，以便实验研究观察。
实验数据如下：
其中挡光片的距离为1cm，两个挡光片之间的距离为21.8cm，m1=m2=（228+50）g=278g
表一：
[[两光电门之间的距离cm＼&m1的速率V1cm/s＼&m2的速率v2cm/s＼&v1'的速率cm/s＼&v2'的速率cm/s＼&v1--v2
cm/s＼&v1'-v2'
cm/s＼&v
cm/s＼&v
m/s＼&29.5＼&60.50＼&71.17＼&62.97＼&57.50＼&10.67＼&5.47＼&5.20＼&0.0520＼&69.11＼&91.07＼&79.81＼&64.64＼&21.96＼&15.16＼&6.80＼&0.0680＼&56.79＼&75.41＼&67.93＼&55.13＼&8.62＼&12.60＼&4.18＼&0.0418＼&]]
从这三组数据可看出在偏差容许的范围内，速率的差值并不是近似相等的，根据理论上气垫滑轨清除了固体间的磨擦阻力，在实验时控制好条件，理论上在偏差容许的范围内应当是守恒的，可为何我们的实验数据与理论不相符。
尽管气轨运用了气垫技术，在滑轨表面和滑块内表面之间产生一薄层气垫，将滑块浮起，使其不与滑轨表面接触，不存在固体间的滑动磨擦阻力。但气垫中空气的粘滞磨擦阻力及周围空气对滑块的阻力依然存在，而这种磨擦阻力的大小与滑块的速率、气流的浮力、质量等都有关系，且这种量都无法得到确切的控制。若体系所受合外力在某个方向的份量为零，则该体系在这个方向上的总动量守恒。并且当在碰撞方向上合外力为零的条件不能满足时，怎样使其对实验结果的影响减小到最低限度呢？这不仅使滑块在碰撞方向遭到的合外力尽可能小，也就是使滑块在水平时气轨上运动时遭到的磨擦阻力尽量小。例如，气量要充足、稳定，滑块与气轨表面密合程度要良好等。同时为了使合外力作用的时间尽可能短，应当让光电门的位置尽量紧靠碰撞地点，也就是尽可能地记录下两滑块碰撞前和碰撞后的刹那间的速率。
应当让光电门的位置尽量紧靠碰撞地点，那就须要控制好两个光电门之间的距离，这个距离究竟是多少才是最恰当合适的？针对这一问题本人做了如下实验。
实验数据如下：
其中挡光片的距离为1cm，两个挡光片之间的距离为21.8cm，m1=m2=（228+50）g=278g
表二：
[[两光电门之间的距离cm＼&m1的速率v1cm/s＼&m2的速率v2cm/s＼&v1'的速率cm/s＼&v2'的速率cm/s＼&v1--v2
cm/s＼&v1'-v2'
cm/s＼&v
cm/s＼&v
m/s＼&26＼&103。84＼&117。51＼&95。51＼&96。71＼&17。39＼&28。51＼&11。12＼&0。1112＼&118。91＼&101。52＼&84。46＼&112。61＼&17。39＼&28。51＼&11。12＼&0。1112＼&27＼&90。66＼&97。85＼&84。89＼&81。17＼&7。19＼&3。72＼&3。47＼&0。0347＼&98。62＼&92。94＼&79。24＼&90。09＼&5。68＼&10。85＼&15。63＼&0。1563＼&28＼&88。18＼&100。70＼&80。91＼&82。24＼&12。52＼&-1。33＼&13。85＼&0。1385＼&92。42＼&94。43＼&79。62＼&86。13＼&2。01＼&-6。05＼&8。52＼&0。0852＼&29＼&57。11＼&73。80＼&64。47＼&54。02＼&16。69＼&10。45＼&6。24＼&0。0624＼&100。30＼&105。93＼&83。33＼&85。18＼&5。63＼&-1。85＼&7。48＼&0。0748＼&56。59＼&70。72＼&63。85＼&53。33＼&4。
13＼&10。52＼&6。39＼&0。0639＼&62。23＼&71。58＼&62。62＼&59。52＼&9。35＼&3。10＼&6。25＼&0。0625＼&78。80＼&98。72＼&79。43＼&68。68＼&9。92＼&3。65＼&6。27＼&0。0627＼&29。5＼&60。50＼&71。17＼&62。97＼&57。50＼&10。67＼&5。47＼&5。20＼&0。0520＼&69。11＼&91。07＼&79。81＼&64。64＼&21。96＼&15。16＼&6。80＼&0。0680＼&56。79＼&75。41＼&67。93＼&55。13＼&8。62＼&12。60＼&4。18＼&0。0418＼&30＼&78。62＼&87。72＼&73。15＼&72。15＼&9。16＼&1。00＼&8。16＼&0。0816＼&88。11＼&90。05＼&73。42＼&81。77＼&2。39＼&-8。35＼&10。74＼&0。1074＼&31＼&79。37＼&75。13＼&57。54＼&75。08＼&4。24＼&-17。54＼&21。78＼&0。2178＼&75。13＼&68。07＼&50。48＼&70。03＼&7。00＼&19。55＼&12。55＼&0。1255＼&]]
实验推论：通过以上实验数据剖析，在偏差容许的范围内，挡光片的距离为1cm，两个挡光片之间的距离为21.8cm，两光电门之间的距离为29cm时，此时两滑块在光电门碰撞的速率刚好是计时器记录的速率，验证动量守恒定理是比较恰当的。
实验剖析：
实验步骤：
①用化学天平称量两滑块的质量m1，m2；
②调节气垫滑轨水平，使计时器步入工作状态；
③确定光电门之间的距离为29.5cm，将滑块m1，m2放置在两端的一定距离，使两滑块m1，m2处于静止状态。
④用手分别轻轻促进两滑块m1，m2使其相撞，计时器分别记录下v1、v2、v1'、v2'的速率，填入表中学；
⑤重复三次此情况来验证动量守恒。
⑥改变两光电门之间的距离，重复以上实验步骤，把数据填入表一中。
偏差的剖析如下。
①气垫滑轨难以调节到完全水平动量定理弹性碰撞，使实验存在偏差；
②导轨存在一定的磨擦力，影响实验数据；
③滑块质量用化学天平称量不够精确；
④导轨时间长老化，不够精确；
⑤计时器本身有一定的反应时间，记录的素的不够确切；
⑥计算时选定的有效数字，造成实验偏差；
⑦用手推进滑块，速率控制不好，存在偏差。
讨论改进：
阻力是偏差的主要来源，而气垫滑轨调平之后可以保证滑块在滑轨上运动时所受的磨擦力是相同的，可以减少实验偏差。气垫滑轨的调平一共分为两种，一种是纵向调平，一种是横向调平。
纵向调平是比较容易做到的，机械去调平。通常用水平仪置于滑块的头部，依图一调整螺栓1（或是2），使水平的气泡处于中间，之后把滑块连同水平仪拿起旋转180度后，在放在气轨上，观察水平仪的气泡是否处于水平位置，若不在水平位置须要重新调整螺栓1（或2），通过反复调整使水平仪的气泡处于中间位置或是处于对称位置，这就表示气垫滑轨早已调节水平。
图1为气垫滑轨的俯瞰图，123为螺栓钉
在纵向调平的基础上，进行横向调平，打开气源后，滑块在气轨上自由悬浮，通过调节螺栓3，来使气轨平衡。理论上假如气轨平衡，滑块应当处于静止的状态，并且实际操作中是很难达到的。这是因为外界的干扰动量定理弹性碰撞，例如说是起源的振动等等。滑块会在气轨上左右联通，只要保证滑块在气轨上平缓联通即可，此时则觉得气轨早已平衡。再对气轨进行细微的调节，使两个光电门保持一定的距离，让滑块往返于两个光电门之间，若没有磨擦力的存在，气垫滑轨早已调节水平，则滑块通过两个光电门所用的时间应当相同，并且在上面早已说过磨擦力总是存在的，通过两个光电门的时间只要近似相等相差不大即可，若是通过两个光电门所用的时间相差的话须要仔细的调整，达到两个时间近似相等。
参考文献：
[1]《走进圣诞课程》丛书编委会组织，化学课程标准研发组编撰.普通中学数学课程标准（实验）详解[M].云南教育出版社，2003.
[2]龚振雄.气轨上的化学实验[M].成都学院出版社，1982.
