第4節(jié)　實驗：驗證動量守恒定律 課件

物理第一章動量守恒定律第4節(jié)實驗：驗證動量守恒定律01基礎(chǔ)儲備明確原理02熱點實驗典例解讀03分層演練素養(yǎng)達標一、實驗目的驗證碰撞中的動量守恒．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p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的動量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前后動量是否相等．三、實驗器材方案一研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒氣墊導軌、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．方案二研究斜槽末端小球碰撞時的動量守恒斜槽、大小相等質(zhì)量不同的小球兩個、重垂線、白紙、復寫紙、天平、刻度尺、圓規(guī)、三角板．四、實驗步驟方案一研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒(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，如圖所示．(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(①改變滑塊的質(zhì)量；②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．方案二研究斜槽末端小球碰撞時的動量守恒(1)先用天平測出入射小球、被碰小球質(zhì)量m1、m2.(2)按如圖所示安裝好實驗裝置，將斜槽固定在桌邊，使槽的末端點切線水平，調(diào)節(jié)實驗裝置使兩小球碰撞時處于同一水平高度，且碰撞瞬間入射小球與被碰小球的球心連線與軌道末端的切線平行，以確保兩小球正碰后的速度方向水平．(3)在地上鋪一張白紙，在白紙上鋪放復寫紙．(4)在白紙上記下重垂線所指的位置O，它表示入射小球碰前的位置．(5)先不放被碰小球，讓入射小球從斜槽上同一高度處滾下，重復10次，用圓規(guī)畫盡可能小的圓，把小球的所有落點圈在里面，圓心就是入射小球發(fā)生碰撞前的落地點P.(6)把被碰小球放在斜槽的末端，讓入射小球從同一高度滾下，使它們發(fā)生正碰，重復10次，從上一步驟求出入射小球落地點的平均位置M和被碰小球落地點的平均位置N.(7)過O和N在紙上作一直線．(8)用刻度尺量出線段OM、OP、ON的長度．熱點一對實驗原理與操作的考查【例1】在實驗室里為了驗證動量守恒定律，一般采用如圖甲、乙所示的兩種裝置：(1)若入射小球質(zhì)量為m1，半徑為r1；被碰小球質(zhì)量為m2，半徑為r2，則________．A．m1>m2，r1>r2 B．m1>m2，r1<r2C．m1>m2，r1＝r2 D．m1<m2，r1＝r2(2)若采用圖乙所示裝置進行實驗，以下所提供的測量工具中一定需要的是________．A．直尺 B．游標卡尺C．天平 D．彈簧測力計E．秒表(3)設(shè)入射小球的質(zhì)量為m1，被碰小球的質(zhì)量為m2，則在用圖甲所示裝置進行實驗時(P為碰前入射小球落點的平均位置)，所得“驗證動量守恒定律”的結(jié)論為__________________．(用裝置圖中的字母表示)[解析]

(1)為防止反彈造成入射小球返回斜槽，要求入射小球質(zhì)量大于被碰小球質(zhì)量，即m1>m2；為使入射小球與被碰小球發(fā)生對心碰撞，要求兩小球半徑相同，故C正確．(2)設(shè)入射小球為a，被碰小球為b，a球碰前的速度為v1，a、b相碰后的速度分別為v1′、v2′.由于兩球都從同一高度做平拋運動，當以運動時間為一個計時單位時，可以用它們平拋的水平位移表示碰撞前后的速度．因此，需驗證的動量守恒關(guān)系m1v1＝m1v1′＋m2v2′可表示為m1x1＝m1x1′＋m2x2′.所以需要直尺、天平，而無須彈簧測力計、秒表．由于題中兩個小球都可認為是從槽口開始做平拋運動的，兩球的半徑不必測量，故無須游標卡尺．(3)得出驗證動量守恒定律的結(jié)論應為m1·OP＝m1·OM＋m2·O′N.[答案]

(1)C

(2)AC(3)m1·OP＝m1·OM＋m2·O′N[針對訓練1]某同學用如圖所示的實驗裝置驗證動量守恒定律．(1)若入射小球的質(zhì)量為m1、半徑為r1，被碰小球的質(zhì)量為m2、半徑為r2，則要求m1________m2，r1________r2.(均選填“>”“<”或“＝”)(2)為完成本實驗，需要的測量工具有____________________________．(填選項前的字母)A．彈簧測力計 B．刻度尺C．天平

D．打點計時器(3)若關(guān)系式_______________________________________________(用m1、m2及圖中的字母表示)成立，則表示碰撞過程中動量守恒．解析：(1)為了保證碰后兩球都向前運動，且發(fā)生正碰，所以m1>m2，r1＝r2.(2)為了完成實驗，由動量守恒定律可得m1v0＝m1v1＋m2v2，所以需要測量兩球質(zhì)量，需要用天平，要測量碰撞前后的速度，需要測量長度，所以也需要刻度尺，A、D錯誤，B、C正確．熱點二對實驗步驟及數(shù)據(jù)處理的考查【例2】某同學利用氣墊導軌做“探究碰撞中的不變量”的實驗；氣墊導軌裝置如圖所示，所用的氣墊導軌裝置由導軌、滑塊、彈射架、光電門等組成．(1)下面是實驗的主要步驟：①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；②向氣墊導軌通入壓縮空氣；③接通光電計時器；④把滑塊2靜止放在氣墊導軌的中間；⑤滑塊1擠壓導軌左端彈射架上的橡皮繩；⑥釋放滑塊1，滑塊1通過光電門1后與左側(cè)固定彈簧的滑塊2碰撞，碰后滑塊1和滑塊2依次通過光電門2，兩滑塊通過光電門2后依次被制動；⑦讀出滑塊通過兩個光電門的擋光時間分別為：滑塊1通過光電門1的擋光時間Δt1＝10.01ms，通過光電門2的擋光時間Δt2＝49.99ms，滑塊2通過光電門2的擋光時間Δt3＝8.35ms；⑧測出擋光片的寬度d＝5mm，測得滑塊1的質(zhì)量為m1＝300g，滑塊2(包括彈簧)的質(zhì)量為m2＝200g；(2)數(shù)據(jù)處理與實驗結(jié)論：①實驗中氣墊導軌的作用是：a．__________________________________________________________；b．__________________________________________________________.②碰撞前滑塊1的速度v1為________m/s；碰撞后滑塊1的速度v2為________m/s，滑塊2的速度v3為________m/s；(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)③在誤差允許的范圍內(nèi)，通過本實驗，同學們可以探究出哪些物理量是不變的？通過對實驗數(shù)據(jù)的分析說明理由．(至少回答2個不變量)a．__________________________________________________________；b．___________________________________________________________.[解析]

(2)①a.大大減小了因滑塊和導軌之間的摩擦而引起的誤差．b．保證兩個滑塊的碰撞是一維的．[答案]

(2)①a.大大減小了因滑塊和導軌之間的摩擦而引起的誤差b．保證兩個滑塊的碰撞是一維的②0.50

0.10

0.60③a.碰撞前后總動量不變，理由見解析b．碰撞前后總動能不變，理由見解析[針對訓練2]利用氣墊導軌通過閃光照相進行“驗證動量守恒定律”的實驗．(1)實驗要求研究兩滑塊碰撞時動能損失很小和很大等各種情況，若要求碰撞時動能損失最大，應選圖甲中的________(選填“a”或“b”)，若要求碰撞動能損失最小，則應選圖甲中的________(選填“a”或“b”)．(圖a兩滑塊分別裝有彈性圈，圖b兩滑塊分別裝有撞針和橡皮泥)(2)某次實驗時碰撞前B滑塊靜止，A滑塊勻速向B滑塊運動并發(fā)生碰撞，利用閃光照相的方法連續(xù)4次拍攝得到的閃光照片如圖乙所示．已知相鄰兩次閃光的時間間隔為T，在這4次閃光的過程中，A、B兩滑塊均在0～80cm范圍內(nèi)，且第1次閃光時，滑塊A恰好位于x＝10cm處．若A、B兩滑塊的碰撞時間及閃光持續(xù)的時間極短，均可忽略不計，則可知碰撞發(fā)生在第1次閃光后的________時刻，A、B兩滑塊質(zhì)量比mA∶mB＝________.解析：(1)若要求碰撞時動能損失最大，則需兩滑塊碰撞后結(jié)合在一起，故應選圖甲中的b；若要求碰撞時動能損失最小，則應使兩滑塊發(fā)生彈性碰撞，即選圖甲中的a.答案：(1)b

a

(2)2.5T

2∶3熱點三創(chuàng)新實驗【例3】某同學設(shè)計了一個用打點計時器探究碰撞過程中不變量的實驗：在小車甲的前端粘有橡皮泥，推動小車甲使之做勻速直線運動．然后與原來靜止在前方的小車乙相碰并粘合成一體，而后兩車繼續(xù)做勻速直線運動，他設(shè)計的具體裝置如圖1所示．在小車甲后連著紙帶，打點計時器的打點頻率為50Hz，長木板下墊著小木片用以平衡摩擦力．(1)若已得到打點紙帶如圖2所示，并測得各計數(shù)點間距并標在紙帶上，A為運動起始的第一點，則應選__________________段計算小車甲的碰前速度，應選__________段來計算小車甲和乙碰后的共同速度(以上兩空均選填“AB”“BC”“CD”或“DE”)．(2)已測得小車甲的質(zhì)量m甲＝0.40kg，小車乙的質(zhì)量m乙＝0.20kg，由以上測量結(jié)果，可得碰前m甲v甲＋m乙v乙＝________kg·m/s；碰后m甲v甲′＋m乙v乙′＝________kg·m/s.(3)通過計算得出的結(jié)論是______________________________．[解析]

(1)觀察打點計時器打出的紙帶，點跡均勻的階段BC應為小車甲與乙碰前的階段，CD段點跡不均勻，故CD應為碰撞階段，甲、乙碰撞后一起勻速直線運動，打出間距均勻的點，故應選DE段計算碰后共同的速度．[答案]

(1)BC

DE

(2)0.420

0.417

(3)在誤差允許范圍內(nèi)，碰撞前后兩個小車的動量守恒[針對訓練3]某同學用如圖所示的裝置“驗證動量守恒定律”．實驗前，用水平儀先將光滑操作臺的臺面調(diào)為水平．其實驗步驟如下：A．用天平測出滑塊A、B的質(zhì)量mA、mB；B．用細線將滑塊A、B連接，使A、B間的輕彈簧處于壓縮狀態(tài)；C．剪斷細線，滑塊A、B離開彈簧后，均沿光滑操作臺的臺面運動，最后都滑落臺面，記錄A、B滑塊的落地點P1、P2；D．用刻度尺測出水平地面的落地點P1、P2距操作臺邊緣的水平距離x1、x2；E．用刻度尺測出操作臺面距水平地面的高度h；F．查得當?shù)氐闹亓铀俣却笮間.根據(jù)其實驗步驟，回答下列問題：(1)如果滑塊A、B組成的系統(tǒng)水平方向動量守恒，須滿足的關(guān)系是___________________________________________________________________________________________________