2019版高考物理總復習實驗創(chuàng)新增分專題七驗證動量守恒定律學案20180517383.doc

實驗七驗證動量守恒定律一、實驗目的驗證動量守恒定律。二、實驗原理在一維碰撞中，測出物體的質(zhì)量m和碰撞前、后物體的速度v、v，算出碰撞前的動量pm1v1m2v2及碰撞后的動量pm1v1m2v2，看碰撞前后動量是否相等。三、實驗器材斜槽、小球(兩個)m1、m2，且m1m2、天平、三角板、帶線重錘、直尺、復寫紙、白紙、圓規(guī)等。四、實驗步驟1用天平測出兩小球的質(zhì)量，并選定質(zhì)量大的小球為入射小球。2按照如圖甲所示安裝實驗裝置。調(diào)整、固定斜槽使斜槽底端水平。3白紙在下，復寫紙在上且在適當位置鋪放好。記下重垂線所指的位置O。4不放被撞小球，讓入射小球從斜槽上某固定高度處自由滾下，重復10次。用圓規(guī)畫盡量小的圓把小球所有的落點都圈在里面。圓心P就是小球落點的平均位置。如圖乙所示。5把被撞小球放在斜槽末端，讓入射小球從斜槽同一高度自由滾下，使它們發(fā)生碰撞，重復實驗10次。用步驟(4)的方法，標出碰后入射小球落點的平均位置M和被撞小球落點的平均位置N。如圖乙所示。6連接，測量線段、的長度，將測量數(shù)據(jù)填入表中。最后代入等式m1m1m2，看在誤差允許的范圍內(nèi)是否成立。7整理好實驗器材放回原處。8實驗結論：在實驗誤差允許范圍內(nèi)，碰撞系統(tǒng)的動量守恒。五、數(shù)據(jù)處理驗證表達式：m1m1m2。六、誤差分析實驗中發(fā)現(xiàn)碰撞后系統(tǒng)(m1、m2)水平方向的總動量小于碰撞前系統(tǒng)水平方向的總動量，誤差主要來源于兩個方面。1難做到準確的正碰，則誤差較大；斜槽末端若不水平，則得不到準確的平拋運動而造成誤差。2O、P、M、N各點定位不準確，測量和作圖有偏差。七、注意事項1本實驗中兩個小球質(zhì)量不同，一定是質(zhì)量大的作入射球，質(zhì)量小的作被碰球，如果用質(zhì)量小的與質(zhì)量大的相碰，則質(zhì)量小的球可能反彈，這樣就不能準確測定入射小球碰后的速度。2該實驗要確保斜槽末端水平。檢驗是否水平的方法是將小球輕輕放在斜槽末端的水平部分的任一位置，若小球均能保持靜止，則表明斜槽末端已水平。3保證入射小球每次必須從同一高度由靜止?jié)L下，且盡可能地讓小球的釋放點高些。4實驗過程中，實驗桌、斜槽及白紙的位置始終不變。5在計算時一定要注意m1、m2和、的對應關系?？键c1基礎實驗 例1如圖所示，用“碰撞實驗器”可以驗證動量守恒定律，即研究兩個小球在軌道水平部分碰撞前后的動量關系。(1)實驗中，直接測定小球碰撞前后的速度是不容易的。但是，可以通過僅測量_(填選項前的符號)，間接地解決這個問題。A小球開始釋放高度hB小球拋出點距地面的高度HC小球做平拋運動的射程(2)圖中O點是小球拋出點在地面上的垂直投影。實驗時，先讓入射球 m1多次從斜軌上S位置靜止釋放，找到其平均落地點的位置P，測量平拋射程。然后，把被碰小球m2靜置于軌道的水平部分，再將入射球m1從斜軌上S位置靜止釋放，與小球m2相碰，并多次重復。接下來要完成的必要步驟是_。(填選項前的符號)A用天平測量兩個小球的質(zhì)量m1、m2B測量小球m1開始釋放高度hC測量拋出點距地面的高度HD分別找到m1、m2相碰后平均落地點的位置M、NE測量平拋射程、(3)經(jīng)測定，m145.0 g，m27.5 g，小球落地點的平均位置距O點的距離如圖所示。碰撞前、后m1的動量分別為p1與p1，則p1p1_11；若碰撞后m2的動量為p2，則p1p211_。實驗結果表明，碰撞前、后總動量的比值為_。(4)有同學認為，在上述實驗中僅更換兩個小球的材質(zhì)(質(zhì)量不變)，其他條件不變，可以使被碰小球做平拋運動的射程增大。請你用(3)中已知的數(shù)據(jù)，分析和計算出被碰小球m2平拋運動射程ON的最大值為_cm。解析(1)小球碰前和碰后的速度都用平拋運動來測定，即v，而由Hgt2知，每次豎直高度相等，所以平拋時間相等，則有m1m1m2，可得m1m1m2。故只需測量射程，因而選C。(2)由表達式知：在已知時，需測量m1、m2、和，故必要步驟有A、D、E。(3)p1m1，p1m1，聯(lián)立可得p1p144.8035.201411p2m2則p1p2112.9故1.01(4)其他條件不變，使ON最大，則m1、m2發(fā)生彈性碰撞，則其動量和能量均守恒，有m1v0m1v1m2v2，mvm1vm2v可得v2而v2，v0故44.80 cm76.80 cm。答案(1)C(2)ADE(3)142.91.01(4)76.80在實驗過程中一定要使實驗盡可能符合動量守恒的條件，即系統(tǒng)受到的合外力為零或某一方向系統(tǒng)受到的合外力等于零。我們常采用氣墊導軌來減小摩擦阻力，達到好的實驗效果。若用小球的碰撞實驗驗證動量守恒，則要保證小球的碰撞是對心碰撞，并且讓主碰球的質(zhì)量大于被碰球的質(zhì)量，這樣做可提高實驗的準確性。(2017南寧模擬)如圖所示為“驗證碰撞中的動量守恒”實驗裝置示意圖。(1)入射小球1與被碰小球2直徑相同，均為d，它們的質(zhì)量相比較，應是m1_m2。(2)為了保證小球做平拋運動，必須調(diào)整斜槽使_。(3)繼續(xù)實驗步驟為：A在地面上依次鋪白紙和復寫紙B確定重錘對應點OC不放球2，讓球1從斜槽滑下，確定它落地點位置PD把球2放在立柱上，讓球1從斜槽滑下，與球2正碰后，確定球1和球2落地點位置M和NE用刻度尺量出、的長度F看m1m2與m1是否相等，以驗證動量守恒上述步驟有幾步不完善或有錯誤，請指出并寫出相應的正確步驟。_。答案(1)(2)斜槽末端切線水平(3)D不完善，小球1應從斜槽的同一高度由靜止釋放；E選項中應補充“P、M、N點應該是多次實驗落地點的平均位置”；F錯誤，應驗證：m1m1m2(d)解析(1)入射小球1與被碰小球2直徑相同，即d1d2，為防止兩球碰撞后入射球反射，入射球質(zhì)量應大于被碰球質(zhì)量，即：m1m2。(2)要使小球做平拋運動，則斜槽的末端必須水平。(3)為使小球離開軌道時的初速度相等，每次釋放小球時應從同一高度由靜止釋放，故步驟D不完善；為減小實驗誤差，應取小球落地的平均位置作為小球的落地位置，故E不完善；兩球離開軌道后做平拋運動，它們拋出點的高度相等，在空中的運動時間t相等，若碰撞過程動量守恒，則有：m1v1m1v1m2v2，兩邊同乘以t得：m1v1tm1v1tm2v2t，即為：m1m1m2(d)，故步驟F錯誤?？键c2創(chuàng)新實驗一、利用氣墊導軌和光電門完成實驗1實驗器材氣墊導軌、光電計時器、天平、滑塊(兩個)、重物、彈簧片、細繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等。如圖所示。2實驗步驟(1)測質(zhì)量：用天平測出滑塊質(zhì)量。(2)安裝：正確安裝好氣墊導軌。(3)實驗：接通電源，利用配套的光電計時裝置測出兩滑塊各種情況下碰撞前后的速度(改變滑塊的質(zhì)量。改變滑塊的初速度大小和方向)。(4)驗證：一維碰撞中的動量守恒。3數(shù)據(jù)處理(1)滑塊速度的測量：v，式中x為滑塊擋光片的寬度(儀器說明書上給出，也可直接測量)，t為數(shù)字計時器顯示的滑塊(擋光片)經(jīng)過光電門的時間。(2)驗證的表達式：m1v1m2v2m1v1m2v2。二、利用兩輛小車在光滑木板上完成實驗1實驗器材光滑長木板、打點計時器、紙帶、小車(兩個)、天平、撞針、橡皮泥。如圖所示。2實驗步驟(1)測質(zhì)量：用天平測出兩小車的質(zhì)量。(2)安裝：將打點計時器固定在光滑長木板的一端，把紙帶穿過打點計時器，連在小車的后面，在兩小車的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥。(3)實驗：接通電源，讓小車A運動，小車B靜止，兩車碰撞時撞針插入橡皮泥中，把兩小車連接成一個整體運動。(4)測速度：通過紙帶上兩計數(shù)點間的距離及時間，由v 算出速度。(5)改變條件：改變碰撞條件，重復實驗。(6)驗證：一維碰撞中的動量守恒。3數(shù)據(jù)處理(1)小車速度的測量：v，式中x是紙帶上兩計數(shù)點間的距離，可用刻度尺測量，t為小車經(jīng)過x的時間，可由打點間隔算出。(2)驗證的表達式：m1v(m1m2)v。三、利用等長擺球的一維碰撞完成實驗1實驗器材帶細線的擺球(兩套)、鐵架臺、天平、量角器、坐標紙、膠布等。2實驗步驟(1)測質(zhì)量：用天平測出兩小球的質(zhì)量m1、m2。(2)安裝：把兩個等大小球用等長懸線懸掛起來。(3)實驗：一個小球靜止，拉起另一個小球，放下時它們相碰。如圖所示。(4)測速度：可以測量小球被拉起的角度，從而算出碰撞前對應小球的速度，測量碰撞后小球擺起的角度，算出碰撞后對應小球的速度。(5)改變條件：改變碰撞條件，重復實驗。(6)驗證：一維碰撞中的動量守恒。3數(shù)據(jù)處理(1)擺球速度的測量：v，式中h為小球釋放時(或碰撞后擺起的)高度，h可用刻度尺測量(也可由量角器和擺長計算出)。(2)驗證的表達式：m1v1m1v1m2v2。例2氣墊導軌工作時，可忽略滑塊與導軌表面間的阻力影響，現(xiàn)借助其驗證動量守恒定律，在水平氣墊導軌上放置質(zhì)量均為m的A、B(圖中未標出)兩滑塊，左側滑塊的左端、右側滑塊的右端分別與一條穿過打點計時器的紙帶相連，打點計時器電源的頻率為f。氣墊導軌正常工作后，接通兩個打點計時器的電源，待打點穩(wěn)定后讓兩滑塊以大小不同的速度相向運動，兩滑塊相碰后粘在一起繼續(xù)運動。如圖所示的甲和乙為某次實驗打出的、分別與兩個滑塊相連的兩條紙帶，在紙帶上以同間距的6個連續(xù)打點為一段劃分紙帶，用刻度尺分別測出其長度為s1、s2和s3。(1)若碰前滑塊A的速度大于滑塊B的速度，則滑塊_(填“A”或“B”)是與紙帶甲的_(填“左”或“右”)端相連。(2)碰撞前A、B兩滑塊的動量大小分別為_、_，實驗需要驗證是否成立的表達式為_(用題目所給的已知量表示)。解析(1)因碰前A的速度大于B的速度，A、B的速度相反，且碰后速度相同，故根據(jù)動量守恒定律可知，圖中s1和s3是兩物體相碰前打出的紙帶，s2是相碰后打出的紙帶，所以滑塊A應與甲紙帶的左側相連。(2)碰撞前物體的速度分別為：v10.2s1fv20.2s3f碰撞后兩物體的共同速度：v0.2s2f所以碰前兩物體動量分別為：p1mv10.2mfs1，p2mv20.2mfs3，總動量為pp1p20.2mf(s1s3)；碰后總動量為：p2mv0.4mfs2。要驗證動量守恒，則一定有：02mf(s1s3)0.4mfs2答案(1)A左(2)0.2mfs10.2mfs30.2mf(s1s3)0.4mfs2創(chuàng)新實驗注意事項(1)前提條件：碰撞的兩物體應保證“水平”和“正碰”。(2)方案提醒若利用氣墊導軌進行驗證，調(diào)整氣墊導軌時，應注意利用水平儀確保導軌水平。若利用擺球進行驗證，兩擺球靜止時球心應在同一水平線上，且剛好接觸，擺線豎直，將擺球拉起后，兩擺線應在同一豎直面內(nèi)。若利用兩小車相碰進行驗證，要注意平衡摩擦力。某同學利用如圖所示的裝置驗證動量守恒定律。圖中兩擺擺長相同，懸掛于同一高度，A、B兩擺球均很小，質(zhì)量之比為12。當兩擺球均處于自由靜止狀態(tài)時，其側面剛好接觸。向右上方拉動B球使其擺線伸直并與豎直方向成45角，然后將其由靜止釋放。結果觀察到兩擺球粘在一起擺動，且最大擺角為30。若本實驗允許的最大誤差為4%，此實驗是否成功地驗證了動量守恒定律？答案見解析解析設擺球A、B的質(zhì)量分別為mA、mB，擺長為l，B球的初始高度為h1，碰撞前B球的速度為vB。在不考慮擺線質(zhì)量的情況下，根據(jù)題意及機械能守恒定律得h1l(1cos45)mBvmBgh1設碰撞前、后兩擺球的總動量大小分別為p1、p2。有p1mBvB聯(lián)立得p1mB同理可得p2(mAmB)則有代入已知條件得：21.03由此可以推出4%所以，此實驗在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)驗證了動量守恒定律。1如圖所示，M、N和P為“驗證動量守恒定律”實驗中小球的落點，已知入射球質(zhì)量為m1，被碰球質(zhì)量為m2。如果碰撞中動量守恒，則有()Am1()m2Bm1()m2Cm1()m2Dm1m2()答案B解析本實驗中驗證m1v1m1v1m2v2，而v1，v1，v2，則有m1m1m2，即m1()m2，B正確。2(多選)在“驗證動量守恒定律”實驗中，儀器按要求安裝好后開始實驗，第一次不放被碰小球，第二次把被碰小球直接靜止放在斜槽末端的水平部分，在白紙上記錄下重錘位置和各小球落點的平均位置依次為O、A、B、C，設入射小球和被碰小球的質(zhì)量分別為m1、m2，則下列說法中正確的有()A第一、二次入射小球的落點依次是A、BB第一、二次入射小球的落點依次是B、AC第二次入射小球和被碰小球?qū)⑼瑫r落地Dm1m2答案BD解析最遠的C點一定是被碰小球的落點，碰后入射小球的速度將減小，故A錯誤、B正確；由于被碰小球是放在斜槽末端的，因此被碰小球飛出后入射小球才可能從斜槽末端飛出，兩小球不可能同時落地，C錯誤；由動量守恒得m1m1m2，可得m1()m2，即m1m2，D正確。3(2017江西九江十校聯(lián)考)“驗證碰撞中動量守恒”的實驗裝置如圖所示，A、B是直徑均為d、質(zhì)量分別為mA和mB的兩個小球。(1)為了完成這個實驗，下列說法中正確的是_。A每次小球A都必須從同一點由靜止釋放B小球A的質(zhì)量可以小于小球B的質(zhì)量C可以選用停表來計時D為了減少誤差應進行多次實驗，但要標出小球落點的平均位置應用圓規(guī)作圖來確定E斜槽末端必須保持水平(2)根據(jù)圖中各點間的距離，寫出動量守恒的表達式_。(用字母表示)答案(1)ADE(2)mAmAmB解析(1)為了讓每次實驗中小球碰前的速度均相等，每次小球A都必須從同一點由靜止釋放，故A正確；為防止入射球反彈，入射球的質(zhì)量應大于被碰球的質(zhì)量，故B錯誤；小球離開軌道后做平拋運動，它們在空中的運動時間相等，不需要測量時間及軌道末端離地高度，可以用水平位移代替速度，需要用圓規(guī)確定小球落點的平均位置，并用刻度尺測量水平位移，故C錯誤、D正確；為了保證小球做平拋運動，斜槽末端必須保持水平，故E正確。(2)小球離開軌道后做平拋運動，由于小球拋出點的高度相同，小球做平拋運動的時間t相等，如果動量守恒，則mAv1mAv1mBv2，方程兩邊同時乘以時間t得mAv1tmAv1tmBv2t，則有mAmAmB。4在做“驗證碰撞中的動量守恒定律”實驗中，裝置如圖。(1)需要的測量儀器或工具有_。A秒表 B天平 C刻度尺 D千分尺E游標卡尺 F圓規(guī)(2)必須要求的條件是_。A斜槽軌道盡量光滑以減少誤差B斜槽軌道末端的切線必須水平C入射球和被碰球的質(zhì)量必須相等，且大小相同D入射球每次必須從軌道的同一位置由靜止?jié)L下(3)某次實驗中得出的落點情況如圖所示，假設碰撞過程中動量守恒，則入射小球質(zhì)量m1和被碰小球質(zhì)量m2之比為_。答案(1)BCEF(2)BD(3)41解析(1)本實驗需要天平稱量物體的質(zhì)量，需要刻度尺測量長度，需要游標卡尺測量小球的直徑，需要圓規(guī)找物體的平均落點，故選B、C、E、F。(2)軌道是否光滑對實驗的結果沒有影響，故A錯誤；要保證碰撞后兩個球做平拋運動，故斜槽軌道末端的切線必須水平，故B正確；入射球質(zhì)量要大于被碰球質(zhì)量，即 m1m2，防止碰后m1被反彈，故C錯誤；為保證碰撞的初速度相同，入射球每次必須從軌道的同一位置由靜止?jié)L下，D正確。(3)根據(jù)動量守恒定律，有：m1m1m2代入數(shù)據(jù)，有：m10.255m10.155m2(0.4110.011)解得：m1m241。5如圖是用來驗證動量守恒的實驗裝置，彈性球1用細線懸掛于O點，O點下方桌子的邊沿有一豎直立柱。實驗時，調(diào)節(jié)懸點，使彈性球1靜止時恰與立柱上的球2接觸且兩球等高。將球1拉到A點，并使之靜止，同時把球2放在立柱上。釋放球1，當它擺到懸點正下方時與球2發(fā)生對心碰撞，碰后球1向左最遠可擺到B點，球2落到水平地面上的C點。測出有關數(shù)據(jù)即可驗證1、2兩球碰撞時動量守恒?，F(xiàn)已測出A點離水平桌面的距離為a、B點離水平桌面的距離為b，C點與桌子邊沿間的水平距離為c。此處，(1)還需要測量的量是_、_和_。(2)根據(jù)測量的數(shù)據(jù)，該實驗中動量守恒的表達式為_。(忽略小球的大小)答案(1)彈性球1、2的質(zhì)量m1、m2立柱高h桌面高H(2)2m12m1m2解析(1)要驗證動量守恒必須知道兩球碰撞前后的動量變化，根據(jù)彈性球1碰撞前后的高度a和b，由機械能守恒可以求出碰撞前后的速度，故只要再測量彈性球1的質(zhì)量m1，就能求出彈性球1的動量變化；根據(jù)平拋運動的規(guī)律只要測出立柱高h和桌面高H就可以求出彈性球2碰撞后的速度，故只要測量彈性球2的質(zhì)量和立柱高h、桌面高H就能求出彈性球2碰后的動量。(2)根據(jù)(1)的解析可以寫出動量守恒的方程m1m1m2整理得2m12m1m2。6為了驗證碰撞中的動量守恒和檢驗兩個小球的碰撞是否為彈性碰撞，某同學選取了兩個體積相同、質(zhì)量相差比較大的小球，按下述步驟做了實驗：用天平測出兩小球的質(zhì)量(分別為m1和m2，且m1m2)。按圖示安裝好實驗器材，將斜槽AB固定在桌邊，使槽的末端切線水平，將一斜面BC連接在斜槽末端。先不放小球m2，讓小球m1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下，記下小球在斜面上的落點位置。將小球m2放在斜槽末端邊緣處，讓小球m1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下，使它們發(fā)生碰撞，分別記下小球m1和m2在斜面上的落點位置。用毫米刻度尺量出各個落點位置到斜槽末端點B的距離。圖中D、E、F點是該同學記下小球在斜面上的落點位置，到B點的距離分別為LD、LE、LF。根據(jù)該同學的實驗，回答下列問題：(1)在不放小球m2時，小球m1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下，m1的落點在圖中的_點，把小球m2放在斜槽末端邊緣處，小球m1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下，使它們發(fā)生碰撞，碰后小球m1的落點在圖中的_點。(2)若碰撞過程中，動量和機械能均守恒，不計空氣阻力，則下列表達式中正確的有_。Am1LFm1LDm2LE Bm1Lm1Lm2LCm1LEm1LDm2LF DLELFLD答案(1)ED(2)C解析(1)小球m1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下，m1的落點在圖中的E點，小球m1和小球m2相撞后，小球m2的速度增大，小球m1的速度減小，都做平拋運動，所以碰撞后m1球的落地點是D點，m2球的落地點是F點。(2)設斜面傾角為，小球落點到B點的距離為L，小球從B點拋出時速度為v，則豎直方向有Lsingt2，水平方向有Lcosvt，解得v，所以v。由題意分析得，只要滿足m1v1m2v2m1v1，把速度v代入整理得：m1m1m2，說明兩球碰撞過程中動量守恒；若兩小球的碰撞是彈性碰撞，則碰撞前后機械能沒有損失，則要滿足關系式：m1vm1v12m2v，整理得m1LEm1LDm2LF，故C正確。7(2017黃岡檢測)某同學利用打點計時器和氣墊導軌做驗證動量守恒定律的實驗，氣墊導軌裝置如圖甲所示，所用的氣墊導軌裝置由導軌、滑塊、彈射架等組成。在空腔導軌的兩個工作面上均勻分布著一定數(shù)量的小孔，向?qū)к壙涨粌?nèi)不斷通入壓縮空氣，空氣會從小孔中噴出，使滑塊穩(wěn)定地漂浮在導軌上，這樣就大大減小了因滑塊和導軌之間的摩擦而引起的誤差。下面是實驗的主要步驟：安裝好氣墊導軌，調(diào)節(jié)氣墊導軌的調(diào)節(jié)旋鈕，使導軌水平；向氣墊導軌通入壓縮空氣；把打點計時器固定在緊靠氣墊導軌左端彈射架的外側，將紙帶穿過打點計時器和彈射架并固定在滑塊1的左端，調(diào)節(jié)打點計時器的高度，直至滑塊拖著紙帶移動時，紙帶始終在水平方向；使滑塊1擠壓導軌左端彈射架上的橡皮繩；把滑塊2放在氣墊導軌的中間；已知碰后兩滑塊一起運動；先_，然后_，讓滑塊帶動紙帶一起運動；取下紙帶，重復步驟，選出較理想的紙帶如圖乙所示；測得滑塊1(包括撞針)的質(zhì)量為310 g，滑塊2(包括橡皮泥)的質(zhì)量為205 g。(1)請完善實驗步驟的內(nèi)容(填到步驟橫線上)。(2)已知打點計時器每隔0.02 s打一個點，計算可知兩滑塊相互作用前質(zhì)量與速度的乘積之和為_ kgm/s；兩滑塊相互作用以后質(zhì)量與速度的乘積之和為_ kgm/s。(結果均保留三位有效數(shù)字)(