摘要：氣墊滑軌實驗中，理論上是無磨擦的，在實驗時控制好條件，理論上在偏差容許的范圍內應當是守恒的，可為何我們的實驗數據與理論不相符。本文針對這個問題，做了如下實驗。
關鍵詞：氣墊滑軌碰撞動量守恒定理
中圖分類號：G642.0文獻標示碼：CDOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.21.153
“驗證動量守恒定理”是人民教育出版社必修3-5第十六章第二節的內容，本實驗是小學數學高考查的驗證性實驗之一。在近幾年的中考中都有出現。
在普通數學新課程標準中對這一部份有所劃分。課標要求一共有三點，分別為：
第一，探究物體彈性碰撞的一些特性。曉得彈性碰撞和非彈性碰撞。
可以通過光滑水平面上或氣墊滑軌上物體的碰撞來學習彈性碰撞，也可以通過頻閃相片的剖析來學習。關于彈性碰撞和非彈性碰撞，中學生曉得以是否有機械能的損失來分辨就可以了，不比設計能量損失的多少。
第二，通過實驗，理解動量和動量守恒定理，能用動量守恒定理定性剖析一維碰撞問題。曉得動量守恒定理的普遍意義。
雖然才能把力與質量、加速度的關系式變型來得到動量定律，從而得到動量守恒定理，并且因為這個定理的普遍性和獨立性，標準要求直接通過實驗來學習它。關于動量守恒定理，要求是較高的“理解”層次，應當就能在不同的情景中應用。
要求用動量守恒定理剖析一維碰撞問題和反沖運動。可以學習“系統”概念。
第三，通過數學學中的動量守恒定理，感受自然界的和諧和統一。
這條標準是對情感方面的要求。要求達到這樣的要求，一是要明白相對論推論的含意，二是要曉得完善的過程，即舊的理論遇見了哪些問題，是如何解決的，新的理論如何得到了實驗和觀測的支持。
在活動建議中，制做水灰熊是一項成熟的課外活動，所用材料簡單，成功率高，應當做一做。
氣墊滑軌（簡稱氣軌）是實驗室常用的熱學實驗裝置。在數學學中有好多實驗都應用到，例如說驗證力與加速度、質量的關系即牛頓第二定理；驗證機械能守恒定理等實驗。在氣軌上研究各類碰撞情況是很有趣的，對深刻理解動量守恒定理是很有幫助的。若物體系所受合外力在某個方向的份量為零，則該物體系在這個方向上的總動量守恒。則理論上m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'其中v1為m1的碰前的速率，v1'為m1碰后的速率，v2為m2碰前的速率，v2'為m2碰后的速率。本實驗研究驗證兩滑塊從不同方向運動相撞的動量守恒定理。
本實驗采取兩質量相等的滑塊，在偏差容許的范圍內只需看速率差值即可，以便實驗研究觀察。
實驗數據如下：
其中擋光片的距離為1cm，兩個擋光片之間的距離為21.8cm，m1=m2=（228+50）g=278g
表一：
[[兩光電門之間的距離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＼&]]
從這三組數據可看出在偏差容許的范圍內，速率的差值并不是近似相等的，根據理論上氣墊滑軌清除了固體間的磨擦阻力，在實驗時控制好條件，理論上在偏差容許的范圍內應當是守恒的，可為何我們的實驗數據與理論不相符。
盡管氣軌運用了氣墊技術，在滑軌表面和滑塊內表面之間產生一薄層氣墊，將滑塊浮起，使其不與滑軌表面接觸，不存在固體間的滑動磨擦阻力。但氣墊中空氣的粘滯磨擦阻力及周圍空氣對滑塊的阻力依然存在，而這種磨擦阻力的大小與滑塊的速率、氣流的浮力、質量等都有關系，且這種量都無法得到確切的控制。若體系所受合外力在某個方向的份量為零，則該體系在這個方向上的總動量守恒。并且當在碰撞方向上合外力為零的條件不能滿足時，怎樣使其對實驗結果的影響減小到最低限度呢？這不僅使滑塊在碰撞方向遭到的合外力盡可能小，也就是使滑塊在水平時氣軌上運動時遭到的磨擦阻力盡量小。例如，氣量要充足、穩定，滑塊與氣軌表面密合程度要良好等。同時為了使合外力作用的時間盡可能短，應當讓光電門的位置盡量緊靠碰撞地點，也就是盡可能地記錄下兩滑塊碰撞前和碰撞后的剎那間的速率。
應當讓光電門的位置盡量緊靠碰撞地點，那就須要控制好兩個光電門之間的距離，這個距離究竟是多少才是最恰當合適的？針對這一問題本人做了如下實驗。
實驗數據如下：
其中擋光片的距離為1cm，兩個擋光片之間的距離為21.8cm，m1=m2=（228+50）g=278g
表二：
[[兩光電門之間的距離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＼&]]
實驗推論：通過以上實驗數據剖析，在偏差容許的范圍內，擋光片的距離為1cm，兩個擋光片之間的距離為21.8cm，兩光電門之間的距離為29cm時，此時兩滑塊在光電門碰撞的速率剛好是計時器記錄的速率，驗證動量守恒定理是比較恰當的。
實驗剖析：
實驗步驟：
①用化學天平稱量兩滑塊的質量m1，m2；
②調節氣墊滑軌水平，使計時器步入工作狀態；
③確定光電門之間的距離為29.5cm，將滑塊m1，m2放置在兩端的一定距離，使兩滑塊m1，m2處于靜止狀態。
④用手分別輕輕促進兩滑塊m1，m2使其相撞，計時器分別記錄下v1、v2、v1'、v2'的速率，填入表中學；
⑤重復三次此情況來驗證動量守恒。
⑥改變兩光電門之間的距離，重復以上實驗步驟，把數據填入表一中。
偏差的剖析如下。
①氣墊滑軌難以調節到完全水平動量定理彈性碰撞，使實驗存在偏差；
②導軌存在一定的磨擦力，影響實驗數據；
③滑塊質量用化學天平稱量不夠精確；
④導軌時間長老化，不夠精確；
⑤計時器本身有一定的反應時間，記錄的素的不夠確切；
⑥計算時選定的有效數字，造成實驗偏差；
⑦用手推進滑塊，速率控制不好，存在偏差。
討論改進：
阻力是偏差的主要來源，而氣墊滑軌調平之后可以保證滑塊在滑軌上運動時所受的磨擦力是相同的，可以減少實驗偏差。氣墊滑軌的調平一共分為兩種，一種是縱向調平，一種是橫向調平。
縱向調平是比較容易做到的，機械去調平。通常用水平儀置于滑塊的頭部，依圖一調整螺栓1（或是2），使水平的氣泡處于中間，之后把滑塊連同水平儀拿起旋轉180度后，在放在氣軌上，觀察水平儀的氣泡是否處于水平位置，若不在水平位置須要重新調整螺栓1（或2），通過反復調整使水平儀的氣泡處于中間位置或是處于對稱位置，這就表示氣墊滑軌早已調節水平。
圖1為氣墊滑軌的俯瞰圖，123為螺栓釘
在縱向調平的基礎上，進行橫向調平，打開氣源后，滑塊在氣軌上自由懸浮，通過調節螺栓3，來使氣軌平衡。理論上假如氣軌平衡，滑塊應當處于靜止的狀態，并且實際操作中是很難達到的。這是因為外界的干擾動量定理彈性碰撞，例如說是起源的振動等等。滑塊會在氣軌上左右聯通，只要保證滑塊在氣軌上平緩聯通即可，此時則覺得氣軌早已平衡。再對氣軌進行細微的調節，使兩個光電門保持一定的距離，讓滑塊往返于兩個光電門之間，若沒有磨擦力的存在，氣墊滑軌早已調節水平，則滑塊通過兩個光電門所用的時間應當相同，并且在上面早已說過磨擦力總是存在的，通過兩個光電門的時間只要近似相等相差不大即可，若是通過兩個光電門所用的時間相差的話須要仔細的調整，達到兩個時間近似相等。
參考文獻：
[1]《走進圣誕課程》叢書編委會組織，化學課程標準研發組編撰.普通中學數學課程標準（實驗）詳解[M].云南教育出版社，2003.
[2]龔振雄.氣軌上的化學實驗[M].成都學院出版社，1982.
