第4節(jié)-實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律課件

1、第4節(jié)實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.明確驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的基本思路。2.驗(yàn)證一維碰撞中的動(dòng)量守恒。3.知道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1.實(shí)驗(yàn)方案方案(一)：利用氣墊導(dǎo)軌完成一維碰撞實(shí)驗(yàn)方案(二)：利用平拋運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證碰撞中的動(dòng)量守恒2.實(shí)驗(yàn)原理3.實(shí)驗(yàn)器材方案(一)：氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字計(jì)時(shí)器、天平、滑塊(兩個(gè))、彈簧片、細(xì)繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等。方案(二)：斜槽，兩個(gè)大小相等、質(zhì)量不同的小球，鉛垂線，復(fù)寫紙，白紙，天平，刻度尺，圓規(guī)，三角板等。三、實(shí)驗(yàn)步驟1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案(一)：利用氣墊導(dǎo)軌使兩滑塊發(fā)生一維碰撞，裝置如圖。且用以下三種方式分別研究(2)如圖所示，在兩滑塊上分

2、別裝上撞針和橡皮泥，二者相碰撞后粘在一起。研究碰撞中的動(dòng)量守恒。(1)如圖所示，在兩個(gè)滑塊兩端裝上彈性碰撞架，研究碰撞中的動(dòng)量守恒。(3)如圖所示，在兩個(gè)滑塊間放置輕質(zhì)彈簧，擠壓兩個(gè)滑塊使彈簧壓縮，并用一根細(xì)線將兩個(gè)滑塊固定。燒斷細(xì)線，彈簧彈開后落下，兩個(gè)滑塊由靜止向相反方向運(yùn)動(dòng)，研究燒斷細(xì)線前后的動(dòng)量守恒。代入m1v1m2v2m1v1m2v2(矢量式)，看在誤差允許的范圍內(nèi)是否成立。碰撞前碰撞后速度v1v2v1v2mvm1v1m2v2m1v1m2v2方案(二)：利用斜槽上滾下的小球驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律(1)用天平測出兩小球的質(zhì)量，并選定質(zhì)量大的小球?yàn)槿肷湫∏颉?2)按照如圖所示安裝實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)整

3、固定斜槽使斜槽末端切線水平。(3)白紙?jiān)谙?，?fù)寫紙?jiān)谏锨以谶m當(dāng)位置鋪放好。記下鉛垂線所指的位置O。(6)連接ON，測量線段OP、OM、ON的長度。將測量數(shù)據(jù)填入自制的表中。計(jì)算m1OP及m1OMm2ON，看在誤差允許的范圍內(nèi)是否相等。(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(fù)10次。用圓規(guī)畫盡量小的圓把所有的小球落點(diǎn)圈在里面，圓心P就是小球落點(diǎn)的平均位置。(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(fù)實(shí)驗(yàn)10次。用步驟(4)的方法，標(biāo)出碰后入射小球落點(diǎn)的平均位置M和被撞小球落點(diǎn)的平均位置N，如圖所示。想一想1.為什么要選用質(zhì)量較大的小

4、球碰撞質(zhì)量較小的小球，而且兩小球的半徑應(yīng)相同？2.本實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的巧妙之處在哪？提示1.避免碰后小球反向運(yùn)動(dòng)，另外碰撞應(yīng)是對(duì)心碰撞，這樣能減小實(shí)驗(yàn)誤差。2.用長度測量代替速度測量，即利用平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，抓住平拋運(yùn)動(dòng)高度相同、時(shí)間相等的特點(diǎn)，把測速度大小變成測水平位移的大小。四、數(shù)據(jù)處理1.計(jì)算表格中所涉及的各項(xiàng)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。2.比較各類碰撞前后的數(shù)據(jù)結(jié)果。3.結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，碰撞前后系統(tǒng)的總動(dòng)量不變，即滿足m1v1m2v2m1v1m2v2。五、誤差分析1.碰撞是否為一維碰撞，是產(chǎn)生誤差的一個(gè)原因，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)保證碰撞為一維碰撞。2.碰撞中是否受其他力(例如摩擦力)影響是帶來誤差的又一

5、個(gè)原因，實(shí)驗(yàn)中要合理控制實(shí)驗(yàn)條件，避免除碰撞時(shí)相互作用力外的其他力影響物體速度。3.速度的測量誤差，方案一是比較好的，光電計(jì)時(shí)誤差較小，方案二誤差稍大一些。綜上所述，方案一相比之下較為準(zhǔn)確，研究的項(xiàng)目也可以更多一些。4.偶然誤差測量和讀數(shù)的準(zhǔn)確性帶來的誤差，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)規(guī)范測量和讀數(shù)，同時(shí)增加測量次數(shù)，取平均值，盡量減小偶然誤差的影響。六、注意事項(xiàng)1.保證兩物體發(fā)生的是一維碰撞，即兩個(gè)物體碰撞前沿同一直線運(yùn)動(dòng)，碰撞后仍沿同一直線運(yùn)動(dòng)。2.若利用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)整氣墊導(dǎo)軌時(shí)注意利用水平儀確保導(dǎo)軌水平。3.碰撞有很多情形。我們可以在各種碰撞情況下去驗(yàn)證。甲試題案例例1 如圖甲所示，用“碰撞實(shí)驗(yàn)器”

6、可以驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，即研究兩個(gè)小球在軌道水平部分碰撞前后的動(dòng)量關(guān)系。核心要點(diǎn)實(shí)驗(yàn)原理及注意事項(xiàng)(1)實(shí)驗(yàn)中直接測定小球碰撞前后的速度是不容易的，但可以通過僅測量_(填選項(xiàng)前的符號(hào))間接地解決這個(gè)問題。A.小球開始釋放高度hB.小球拋出點(diǎn)距地面的高度HC.小球做平拋運(yùn)動(dòng)的射程(2)圖中O點(diǎn)是小球拋出點(diǎn)在地面上的垂直投影。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(diǎn)的位置P，測量平拋射程OP。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(fù)。接下來要完成的必要步驟是_。(填選項(xiàng)前的符號(hào))A.用天平測量兩個(gè)小球的質(zhì)量m

7、1、m2B.測量小球m1開始釋放高度hC.測量拋出點(diǎn)距地面的高度HD.分別找到m1、m2相碰后平均落地點(diǎn)的位置M、NE測量平拋射程OM、ON乙(2)由表達(dá)式知：在OP已知時(shí)，需測量m1、m2、OM和ON，故必要步驟有A、D、E。聯(lián)立可得p1p1OPOM44.8035.201411答案(1)C(2)ADE(3)142.91.01針對(duì)訓(xùn)練1 現(xiàn)利用圖甲所示的裝置驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。在圖甲中，小車A的前端粘有橡皮泥，后端連著紙帶，啟動(dòng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，給小車A一初速度，之后A與原來靜止在前方的小車B相碰并粘在一起運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)測得小車A(含橡皮泥)的質(zhì)量mA0.81 kg，小車B的質(zhì)量mB0.84 kg，打點(diǎn)計(jì)

8、時(shí)器所用交流電的頻率f50 Hz。碰撞前后打出的紙帶如圖乙所示(單位：cm)。(1)關(guān)于實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)，下列說法正確的是_。A.長木板下墊著的薄木片是用來平衡摩擦力的B.小車A和小車B的車輪應(yīng)該由同種材料制成C.應(yīng)選用質(zhì)量差不多大的兩個(gè)小車(2)碰前兩小車的總動(dòng)量為_kgm/s，碰后兩小車的總動(dòng)量為_kgm/s。(保留3位有效數(shù)字)答案(1)ABC(2)1.621.60解析(1)長木板下面墊薄木片是為了平衡摩擦力，讓小車重力沿木板的下滑分力和小車與木板間的摩擦力平衡，故A正確；兩個(gè)小車車輪的制作材料相同，才能同時(shí)平衡兩個(gè)小車的摩擦力，故B正確；為使實(shí)驗(yàn)中碰撞效果明顯，應(yīng)選用質(zhì)量差不多大的

9、兩個(gè)小車，故C正確。核心要點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理例2 某同學(xué)利用電火花計(jì)時(shí)器和氣墊導(dǎo)軌做驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)。氣墊導(dǎo)軌裝置如圖(a)所示，所用的氣墊導(dǎo)軌裝置由導(dǎo)軌、滑塊、彈射架等組成。在空腔導(dǎo)軌的兩個(gè)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(huì)從小孔中噴出，使滑塊穩(wěn)定地漂浮在導(dǎo)軌上，這樣就大大減小了因滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦而引起的誤差。試題案例(1)下面是實(shí)驗(yàn)的主要步驟：安裝好氣墊導(dǎo)軌，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)旋鈕，使導(dǎo)軌水平；向氣墊導(dǎo)軌通入壓縮空氣；把電火花計(jì)時(shí)器固定在緊靠氣墊導(dǎo)軌左端彈射架的外側(cè)，將紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與彈射架并固定在滑塊1的左端，調(diào)節(jié)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的高度，直至滑塊拖

10、著紙帶移動(dòng)時(shí)，紙帶始終在水平方向；使滑塊1擠壓導(dǎo)軌左端彈射架上的橡皮繩；把滑塊2放在氣墊導(dǎo)軌的中間；先_，然后_，讓滑塊帶動(dòng)紙帶一起運(yùn)動(dòng)；取下紙帶，重復(fù)步驟，選出理想的紙帶如圖(b)所示；測得滑塊1的質(zhì)量為310 g，滑塊2(包括橡皮泥)的質(zhì)量為205 g。完善實(shí)驗(yàn)步驟的內(nèi)容。(2)已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔0.02 s打一個(gè)點(diǎn)，計(jì)算可知兩滑塊相互作用以前系統(tǒng)的總動(dòng)量為_kgm/s；兩滑塊相互作用以后系統(tǒng)的總動(dòng)量為_kgm/s。(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)(3)試說明(2)中兩結(jié)果不完全相等的主要原因是_。解析(1)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，先接通電源后釋放紙帶，所以先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源，后釋放滑塊1。(3)

11、結(jié)果不完全相等是因?yàn)榧垘c打點(diǎn)計(jì)時(shí)器限位孔之間有摩擦力的作用。答案(1)接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源釋放滑塊1(2)0.6200.618(3)紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器限位孔之間有摩擦力的作用針對(duì)訓(xùn)練2 氣墊導(dǎo)軌(如圖甲)工作時(shí)，空氣從導(dǎo)軌表面的小孔噴出，在導(dǎo)軌表面和滑塊內(nèi)表面之間形成一層薄薄的空氣層，使滑塊不與導(dǎo)軌表面直接接觸，大大減小了滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力，為了驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，在水平氣墊導(dǎo)軌上放置兩個(gè)質(zhì)量均為a的滑塊，每個(gè)滑塊的一端分別與穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶相連，兩個(gè)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源的頻率均為b。氣墊導(dǎo)軌正常工作后，接通兩個(gè)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源，并讓兩滑塊以不同的速度相向運(yùn)動(dòng)，兩滑塊相碰后粘在一起繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。圖乙

12、為某次實(shí)驗(yàn)打出的點(diǎn)跡清晰的紙帶的一部分，在其中一個(gè)紙帶上以同間距的6個(gè)連續(xù)點(diǎn)為一段劃分紙帶的一部分，在另一個(gè)紙帶上以同間距的6個(gè)連續(xù)點(diǎn)為一段劃分，用刻度尺分別量出其長度s1、s2和s3，若題中各物理量的單位均為國際單位制單位，那么，碰撞前兩滑塊的質(zhì)量與速度乘積大小分別為_、_，兩滑塊的質(zhì)量與速度乘積之和的大小為_；碰撞后兩滑塊的總質(zhì)量與速度乘積大小為_。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，多做幾次。若碰撞前、后兩滑塊的質(zhì)量與速度乘積之和在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)相等，則質(zhì)量與速度乘積在碰撞前后是守恒的。解析因?yàn)榇螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源的頻率為b，碰撞前兩滑塊的質(zhì)量與速度乘積分別為因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)方向相反，所以碰前兩滑塊質(zhì)量與速度乘積

13、之和為mv1mv20.2ab(s1s3)答案0.2abs10.2abs30.2ab(s1s3)0.4abs2碰后兩滑塊的質(zhì)量與速度乘積之和為核心要點(diǎn)科學(xué)探究“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法1.根據(jù)“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”的知識(shí)和方法進(jìn)行遷移，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案。2.靈活運(yùn)用測量速度的方法或運(yùn)用替代思想測量速度進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)化。3.根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)方案，合理選擇實(shí)驗(yàn)步驟。針對(duì)訓(xùn)練3 兩位同學(xué)用如圖甲所示裝置，通過半徑相同的A、B兩球的碰撞來“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”。(1)實(shí)驗(yàn)中必須滿足的條件是_。A.斜槽軌道盡量光滑以減小誤差B.斜槽軌道末端的切線必須水平C.入射球A每次必須從軌道的同一位置由

14、靜止?jié)L下D.兩球的質(zhì)量必須相等(2)測量所得入射球A的質(zhì)量為mA，被碰撞小球B的質(zhì)量為mB，圖甲中O點(diǎn)是小球拋出點(diǎn)在水平地面上的垂直投影，實(shí)驗(yàn)時(shí)，先讓入射球A從斜軌上的起始位置由靜止釋放，找到其平均落點(diǎn)的位置P，測得平拋射程為OP；再將入射球A從斜軌上起始位置由靜止釋放，與小球B相撞，分別找到球A和球B相撞后的平均落點(diǎn)M、N，測得平拋射程分別為OM和ON。本實(shí)驗(yàn)中要驗(yàn)證的表達(dá)式應(yīng)為_。(3)乙同學(xué)也用上述兩球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但將實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改裝：如圖乙所示，將白紙、復(fù)寫紙固定在豎直放置的木條上，用來記錄實(shí)驗(yàn)中球A、球B與木條的撞擊點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將木條豎直立在軌道末端右側(cè)并與軌道接觸，讓入射球A從斜軌上起始位置由靜止釋放，撞擊點(diǎn)為B；然后將木條平移到圖中所示位置，入射球A從斜軌上起始位置由靜止釋放，確定其撞擊點(diǎn)P；再將入射球A從斜軌上起始位置由靜止釋放，與球B相撞，確定球A和球B相撞后的撞擊點(diǎn)分別為M和N。測