第16章第一節(jié)第一節(jié) 實驗：探究碰撞中的不變量

第一節(jié)實驗：探究碰撞中的不變量課前自主學案核心要點突破課堂互動講練知能優(yōu)化訓練

第一節(jié)課前自主學案一、實驗目的1．明確探究碰撞中的不變量的基本思路．2．探究一維碰撞中的不變量．(3)各種碰撞情景的實現(xiàn)：利用彈簧片、細繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥設計各種類型的碰撞，利用滑塊上加重物的方法改變碰撞物體的質(zhì)量．方案二：利用等長懸線懸掛等大小球?qū)崿F(xiàn)一維碰撞(1)質(zhì)量的測量：用天平測量．(2)速度的測量：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．2．追尋不變量在一維碰撞的情況下，與物體運動有關的物理量只有物體的質(zhì)量和物體的速度，設兩個物體的質(zhì)量分別為m1、m2，碰撞前的速度分別為v1、v2，碰撞后的速度分別為v′1、v′2.如果速度與規(guī)定的正方向一致，則速度取正值，否則取負值．依據(jù)猜想與假設，依次研究以下關系是否成立：三、實驗器材方案一：氣墊導軌、光電計時器、天平、滑塊(兩個)、彈簧片、細繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥．方案二：帶細線的擺球(兩套)、鐵架臺、天平、量角器、坐標紙、膠布等．方案三：光滑長木板、打點計時器、紙帶、小車(兩個)、天平、撞針、橡皮泥．四、實驗步驟不論采用哪種方案，實驗過程均可按實驗方案合理安排，參考步驟如下：1．用天平測相關質(zhì)量．2．安裝實驗裝置．3．使物體發(fā)生碰撞．4．測量或讀出相關物理量，計算有關速度．5．改變碰撞條件，重復步驟3、4.6．進行數(shù)據(jù)處理，通過分析比較，找出碰撞中的守恒量．7．整理器材，結束實驗．核心要點突破一、實驗數(shù)據(jù)的處理和實驗結論1．實驗數(shù)據(jù)的處理為了探究碰撞中的不變量，將實驗中測得的物理量填入如下表格，然后探究不變量.從表中所列的三個關系中，找出碰撞前和碰撞后守恒的量.2.實驗結論經(jīng)過驗證后可知，在誤差允許的范圍內(nèi)，碰撞前后不變的量是物體的質(zhì)量與速度的乘積，即m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′.二、誤差分析1．碰撞是否為一維碰撞，是產(chǎn)生誤差的一個原因，設計實驗方案時應保證碰撞為一維碰撞．2．碰撞中是否受其他力(例如摩擦力)影響是產(chǎn)生誤差的又一個原因，實驗中要合理控制實驗條件，避免除碰撞時相互作用力外的其他力影響物體速度．三、注意事項1．保證兩物體發(fā)生的是一維碰撞，即兩個物體碰撞前沿同一直線運動，碰撞后仍沿同一直線運動．2．若利用氣墊導軌進行實驗，調(diào)整氣墊導軌時注意利用水平儀確保導軌水平．3．若利用擺球進行實驗，兩小球靜放時球心應在同一水平線上，且剛好接觸，擺線豎直，將小球拉起后，兩條擺線應在同一豎直面內(nèi)．4．碰撞有很多情形．我們尋找的不變量必須在各種碰撞情況下都不改變，才符合要求．課堂互動講練類型一用氣墊導軌探究不變量 (2011年鹽城高二檢測)某實驗小組選用水平氣墊導軌、光電門等測量裝置來探究碰撞中的不變量．實驗儀器如圖16－1－1所示．例1圖16－1－1實驗過程：(1)調(diào)節(jié)氣墊導軌水平，并使光電計時器系統(tǒng)正常工作．(2)在滑塊1上裝上擋光片并測出其長度L.(3)在滑塊2的碰撞端面粘上橡皮泥(或雙面膠紙)．(4)用天平測出滑塊1和滑塊2的質(zhì)量m1、m2.(5)把滑塊1和滑塊2放在氣墊導軌上，讓滑塊2處于靜止狀態(tài)(v2＝0)，用滑塊1以初速度v1與之碰撞(這時光電計時器系統(tǒng)自動計算時間)，撞后兩者粘在一起，分別記下滑塊1的擋光片碰前通過光電門的遮光時間t1和碰后通過光電門的遮光時間t2.(6)先根據(jù)v＝L/t計算滑塊1碰撞前的速度v1及碰后兩者的共同速度v；再計算兩滑塊碰撞前后質(zhì)量與速度的乘積，并比較大?。畬嶒灁?shù)據(jù)：m1＝0.324kg

m2＝0.181kg

L＝1.00×10－3m次數(shù)滑塊1滑塊2碰前質(zhì)量×速度kg·m·s－1碰后質(zhì)量×速度kg·m·s－1v1/m·s－1v/m·s－1v2/m·s－1v/m·s－1m1v1m2v2(m1＋m2)v10.2900.18400.18420.4260.26900.269碰前、碰后質(zhì)量×速度大小并不完全相等，產(chǎn)生誤差的原因是：【精講精析】次數(shù)滑塊1滑塊2碰前質(zhì)量×速度kg·m·s－1碰后質(zhì)量×速度kg·m·s－1v1/m·s－1v/m·s－1v2/m·s－1v/m·s－1m1v1m2v2(m1＋m2)v10.2900.18400.1840.09400.09320.4260.26900.2690.13800.136測量時間、距離等存在誤差，由于阻力、氣墊導軌水平等造成誤差【答案】見精講精析

某同學設計了一個用打點計時器做“探究碰撞中的不變量”的實驗：在小車A的前端粘有橡皮泥，推動小車A使之做勻速運動，然后與原來靜止在前方的小車B相碰并粘合成一體，繼續(xù)做勻速運動．他設計的具體裝置如圖16－1－2所示，在小車A后連著紙帶，電磁打點計時器電源頻率為50Hz，長木板下墊著小木片用以平衡摩擦力．類型二用斜面小車探究不變量例2圖16－1－2(1)若已得到打點紙帶如圖16－1－3所示，并測得各計數(shù)點間距(已標在圖上)，則應選________段來計算A的碰前速度．應選________段來計算A和B碰后的共同速度．(填“AB”、“BC”、“CD”或“DE”)．圖16－1－3(2)已測得小車A的質(zhì)量m1＝0.40kg，小車B的質(zhì)量m2＝0.20kg.由以上測量結果可得：碰前mAv0＝________kg·m/s；碰后(mA＋mB)v共＝________kg·m/s.由此得出結論____________________________________．【思路點撥】小車拖著通過打點計時器的紙帶，紙帶上的點跡記錄了兩個小車碰撞前后的情況，要根據(jù)實際碰撞的狀況來判斷紙帶上哪一段是碰前的，哪一段是碰后的．【精講精析】

(1)從分析紙帶上打點情況看，BC段既表示小車做勻速運動，又表示小車有較大速度，因此BC段能較準確地描述小車A在碰撞前的運動情況，應選BC段計算A的碰前速度，從CD段打點情況看，小車的運動情況還沒穩(wěn)定，而在DE段內(nèi)小車運動穩(wěn)定，故應選DE段計算碰后A和B的共同速度．小車A、B碰撞后：(mA＋mB)v共＝(0.20＋0.40)×0.695kg·m/s＝0.417kg·m/s.所以在誤差許可的范圍內(nèi)可證明碰撞中mv的矢量和是守恒的量．【答案】見精講精析

某同學用如圖16－1－4甲所示裝置通過半徑相同的A、B兩球的碰撞來探究碰撞過程中的不變量，圖中PQ是斜槽，QR為水平槽，實驗時先使A球從斜槽上某一固定位置G由靜止開始滾下，落到位于水平地面的記錄紙上，留下痕跡．重復上述操作10次，得到10個落點痕跡，再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，讓A球仍從位置G由靜止開始滾下，和B球碰撞后，A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點痕跡，重復這種操作10次．類型三用斜槽軌道探究不變量例3圖中O點是水平槽末端R在記錄紙上的垂直投影點，B球落點痕跡如圖乙所示，其中米尺水平放置，且平行于G、R、O所在的平面，米尺的零點與O點對齊．圖16－1－4(1)碰撞后B球的水平射程應取為________cm.(2)在以下選項中，本次實驗必須進行的測量是________．A．水平槽上未放B球時，測量A球落點位置到O點的距離B．測量A球與B球碰撞后，A球落點位置到O點的距離C．測量A球與B球的質(zhì)量D．測量G點相對于水平槽面的高度【思路點撥】兩球下落高度相同，由平拋運動規(guī)律知，其初速度可由水平位移求出，在時間相同的條件下，可變求質(zhì)量與速度乘積為求質(zhì)量與水平位移乘積，從而來探究碰撞過程中mv的矢量和是否是不變量，該方案相比教材中三種方案從實驗操作過程來說更方便．【精講精析