Question

某同学利用气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的实验；气垫导轨装置如图所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成．

（l）下面是实验的主要步骤：
①安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；
②向气垫导轨通入压缩空气；
③接通光电计时器；
④把滑块2静止放在气垫导轨的中间；
⑤滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；
⑥释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧固定弹簧的滑块2碰撞，碰后滑块1和滑块2依次通过光电门2，两滑块通过光电门后依次被制动；
⑦读出滑块通过两个光电门的挡光时间分别为滑块1通过光电门1的挡光时间△t₁=10.01ms，通过光电门2的挡光时间△t₂=49.99ms，滑块2通过光电门2的挡光时间△t₃=8.35ms；
⑧测出挡光片的宽度d=5mm，测得滑块1（包括撞针）的质量为m_l=300g，滑块2（包括弹簧）质量为m₂=200g；
（2）数据处理与实验结论：
①实验中气垫导轨的作用是

 

②碰撞前滑块l的速度v_l为

 

m/s；碰撞后滑块1的速度v₂为

 

m/s；滑块2的速度v₃为

 

 m/s；（结果保留两位有效数字）
③在误差允许的范围内，通过本实验，同学们可以探究出哪些物理量是不变的？通过对实验数据的分析说明理由．（至少回答2个不变量）．
a．

 

b．

 

．

Answer 1

分析：（1）使用气垫导轨使两物块只能沿导轨做直线运动，保证了两物块碰撞前后在同一条直线上做一维碰撞，同时气垫导轨的使用减小了摩擦阻力，从而减小了实验误差．
（2）滑块的宽度除以滑块通过光电门的时间等于滑块通过光电门的速度．
（3）由于发生弹性碰撞，故碰撞过程中动量守恒，动能守恒．

解答：解：①a、大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差．
b、保证两个滑块的碰撞是一维的．  
②滑块1碰撞之前的速度v₁=

d

△t1

=

5×10-3

10.01

=0.50m/s；
 滑块1碰撞之后的速度v₂=

d

△t2

=

5×10-3

0.0499

=0.10m/s；  
滑块2碰撞后的速度v₃=

d

△t3

=

5×10-3

8.35×10-3

=0.60m/s；
③a、系统碰撞前后总动量不变．
原因：系统碰撞之前的动量m₁V₁=0.15kgm/s   系统碰撞之后的动量m₁V₂+m₂V₃=0.15kgm/s  
b．碰撞前后总动能不变．
原因：碰撞前的总动能E_k1=m₁V₁²/2=0.0375J   碰撞之后的总动能E_k2=m₁V₂²/s+m₂V₃²/2=0.0375J，
所以碰撞前后总动能相等．
c．碰撞前后质量不变．
故本题答案为：①a、大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差．b、保证两个滑块的碰撞是一维的． 
②0.50，0.10，0.60
③a、系统碰撞前后总动量不变．b．碰撞前后总动能不变．c．碰撞前后质量不变．

点评：掌握了实验原理即可顺利解决此类题目．