2022年高考物理總復習第一部分常考考點復習指導-實驗八驗證動量守恒定律

PAGE3-實驗八驗證動量守恒定律實驗目的和器材實驗原理實驗目的驗證動量守恒定律在一維碰撞中，測出兩物體的質量m和碰撞前后物體的速度v、v′，找出碰撞前的總動量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的總動量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前后動量是否相等實驗器材方案一：利用氣墊導軌完成一維碰撞實驗方案二：利用光滑長木板完成一維碰撞實驗方案三：利用等長擺球完成一維碰撞實驗方案四：利用斜槽滾球驗證動量守恒定律方案一：利用氣墊導軌完成一維碰撞實驗1．滑塊速度的測量：v＝eq\f(Δx,Δt)，式中Δx為滑塊擋光片的寬度(儀器說明書上給出，也可直接測量)，Δt為數(shù)字計時器顯示的滑塊(擋光片)經過光電門的時間。2．驗證的表達式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。方案二：利用光滑長木板完成一維碰撞實驗1．小車速度的測量：通過紙帶上兩計數(shù)點間的距離及時間，由v＝eq\f(Δx,Δt)計算。2．驗證的表達式：m1v1＝(m1＋m2)v2。方案三：利用等長擺球完成一維碰撞實驗1．擺球速度的測量：v＝eq\r(2gh)，式中h為小球釋放時(或碰撞后擺起)的高度，h可由擺角和擺長(l＋eq\f(d,2))計算出。2．驗證的表達式：m1v1＝m1v1′＋m2v2′。方案四：利用斜槽滾球驗證動量守恒定律1．小球水平射程的測量：連接ON，測量線段OP、OM、ON的長度。2．驗證的表達式：m1·OP＝m1·OM＋m2·ON。1．系統(tǒng)誤差：主要來源于實驗器材及實驗操作等。(1)碰撞是否為一維。(2)氣墊導軌是否完全水平，擺球受到空氣阻力，小車受到長木板的摩擦力，入射小球的釋放高度存在差異。2．偶然誤差：主要來源于質量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的測量。1．前提條件：碰撞的兩物體應保證“水平”和“正碰”。2．方案提醒：(1)若利用氣墊導軌進行驗證，給滑塊的初速度應沿著導軌的方向。(2)若利用擺球進行驗證，實驗前兩擺球應剛好接觸且球心在同一水平線上，將擺球拉起后，兩擺線應在同一豎直面內。(3)若利用兩小車相碰進行驗證，要注意平衡摩擦力。(4)若利用平拋運動規(guī)律進行驗證，安裝實驗裝置時，應注意調整斜槽，使斜槽末端切線水平，且選質量較大的小球為入射小球。熱點一教材原型實驗【典例1】(2022·岳陽模擬)某同學用圖甲所示裝置驗證動量守恒定律，主要實驗步驟如下：①將斜槽固定在水平桌面上，調整末端切線水平；②將白紙固定在水平地面上，白紙上面放上復寫紙；③用重垂線確定斜槽末端在水平地面上的投影點O；④讓小球A緊貼定位卡由靜止釋放，記錄小球的落地點，重復多次，確定落地點的中心位置Q；⑤將小球B放在斜槽末端，讓小球A緊貼定位卡由靜止釋放，記錄兩小球的落地點，重復多次，確定A、B兩小球落地點的中心位置P、R；⑥用刻度尺測量P、Q、R距O點的距離x1、x2、x3；⑦用天平測量小球A、B質量m1、m2；⑧分析數(shù)據(jù)，驗證等式m1x2＝m1x1＋m2x3是否成立，從而驗證動量守恒定律。請回答下列問題：(1)步驟⑤與步驟④中定位卡的位置應________________________________。(2)步驟④與步驟⑤中重復多次的目的是______________________________。(3)為了使小球A與B碰撞后運動方向不變，A、B質量大小關系為m1______________m2。(選填“>”“<”或“＝”)(4)如圖乙是步驟⑥的示意圖，則步驟④中小球落地點距O點的距離為______________m。【解析】(1)為使入射球到達斜槽末端時的速度相等，應從同一位置由靜止釋放入射球，即步驟⑤與步驟④中定位卡的位置應保持不變。(2)步驟④與步驟⑤中重復多次的目的是減少實驗誤差。(3)為了使小球A與B碰后運動方向不變，A、B質量大小關系為m1>m2。(4)由圖示刻度尺可知，其分度值為1mm，步驟④中小球落點距O點的距離為OQ＝37.26cm＝0.3726m。答案：(1)保持不變(2)減少實驗誤差(3)>(4)0.3726(0.3724～0.3728之間均可)熱點二創(chuàng)新型實驗角度1不變目的變裝置(氣墊導軌＋光電門)【典例2】某同學用如圖1所示的裝置“驗證動量守恒定律”，實驗開始前在水平放置的氣墊導軌左端裝一個彈射裝置，滑塊碰到彈射裝置時將被鎖定，打開控制開關，滑塊可被彈射裝置向右彈出?；瑝K甲和滑塊乙上裝有相同寬度的擋光片，在滑塊甲的右端和滑塊乙的左端裝上了彈性碰架(圖中未畫出)，可保證在滑塊碰撞過程中能量損失極小。開始時，滑塊甲被彈射裝置鎖定，滑塊乙靜置于兩個光電門之間。(1)該同學用游標卡尺測量擋光片的寬度d如圖2所示，則d＝__________cm。(2)為使碰撞后兩個滑塊能夠先后通過光電門2，則選用下列哪組滑塊能使實驗效果更好__________。A．m甲＝50g，m乙＝50gB．m甲＝100g，m乙＝50gC．m甲＝50g，m乙＝100g(3)某次實驗時，該同學記錄下滑塊甲(質量為m甲)通過光電門1的時間為t1，滑塊乙(質量為m2)通過光電門2的時間為t2，滑塊甲通過光電門2的時間為t3，根據(jù)實驗器材等測量條件確定誤差范圍。①只要等式__________成立，則可說明碰撞過程中動量守恒；②只要等式__________成立，則可說明這次碰撞為彈性碰撞。(注：以上2個等式必須用題目中所給的字母表示)【解析】(1)游標卡尺的主尺讀數(shù)為21mm，游標讀數(shù)為0.05×7mm＝0.35mm，則最終讀數(shù)為21.35mm＝2.135cm；(2)為使碰撞后兩個滑塊能夠先后通過光電門2，所以入射滑塊不能反彈，所以應用質量較大的滑塊去碰質量較小的滑塊，故選B項；(3)滑塊經過光電門的速度分別為：v1＝eq\f(d,t1)，v2＝eq\f(d,t2)，v3＝eq\f(d,t3)。①設甲的初速度方向為正方向，則由動量守恒定律有：m甲v1＝m甲v3＋m乙v2；代入速度公式則有：m甲eq\f(d,t1)＝m甲eq\f(d,t3)＋m乙eq\f(d,t2)，即eq\f(m甲,t1)＝eq\f(m甲,t3)＋eq\f(m乙,t2)；②要保證為彈性碰撞，碰撞前后機械能守恒，則有：eq\f(1,2)m甲eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t1)))eq\s\up12(2)＝eq\f(1,2)m甲eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t3)))eq\s\up12(2)＋eq\f(1,2)m乙eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t2)))eq\s\up12(2)；即eq\f(m甲,teq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1)))＝eq\f(m甲,teq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(3)))＋eq\f(m乙,teq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(2)))成立，即說明為彈性碰撞。答案：(1)2.135(2)B(3)①eq\f(m甲,t1)＝eq\f(m甲,t3)＋eq\f(m乙,t2)②eq\f(m甲,teq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1)))＝eq\f(m甲,teq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(3)))＋eq\f(m乙,teq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(2)))創(chuàng)新解讀本題的創(chuàng)新點體現(xiàn)在利用氣墊導軌代替長木板，利用光電門代替打點計時器，提高實驗的精確度。在數(shù)據(jù)處理與分析環(huán)節(jié)，利用相對誤差評價實驗結果。角度2不變目的變裝置(斜面＋平拋)【典例3】(2021·鄭州模擬)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、質量不相等的小球，按下述步驟做了如下實驗：①用天平測出兩個小球的質量(分別為m1和m2，且m1>m2)。②如圖所示，安裝好實驗裝置。將斜槽AB固定在桌邊，使槽的末端處的切線水平，將一斜面BC連接在斜槽末端。③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。④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，記下小球m1和m2在斜面上的落點位置。⑤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點是該同學記下的小球在斜面上的幾個落點位置，到B點的距離分別為LD、LE、LF。(1)小球m1和m2發(fā)生碰撞后，m1的落點是圖中的__________點，m2的落點是圖中的__________點。(2)用測得的物理量來表示，只要滿足關系式______________，則說明碰撞中動量守恒。(3)用測得的物理量來表示，只要再滿足關系式______________，則說明兩小球的碰撞是彈性碰撞?！窘馕觥坑深}意可知，碰撞后m1的落點是圖中的D點，m2的落點是圖中的F點。設斜面BC的傾角為θ，小球從斜面頂端平拋落到斜面上，兩者距離為L，由平拋運動的知識可知，Lcosθ＝vt，Lsinθ＝eq\f(1,2)gt2，可得v＝Lcosθeq\r(\f(g,2Lsinθ))＝cosθeq\r(\f(gL,2sinθ))，由于θ、g都是恒量，所以v∝eq\r(L)，v2∝L，所以動量守恒的表達式可以化簡為m1eq\r(LE)＝m1eq\r(LD)＋m2eq\r(LF)，機械能守恒的表達式可以化簡為m1LE＝m1LD＋m2LF。答案：(1)DF(2)m1eq\r(LE)＝m1eq\r(LD)＋m2eq\r(LF)(3)m1LE＝m1LD＋m2LF創(chuàng)新解讀本實驗利用斜面上的平拋運動獲得兩球碰后的速度，根據(jù)平拋斜面模型采用分解位移找數(shù)學關系分析實驗數(shù)據(jù)。角度3變裝置變目的(測量速度)【典例4】如圖甲所示，沖擊擺是一個用細線懸掛著的擺塊，彈丸擊中擺塊時陷入擺塊內，使擺塊擺至某一高度，利用這種裝置可以測出彈丸的發(fā)射速度。實驗步驟如下：①用天平測出彈丸的質量m和擺塊的質量M；②將實驗裝置水平放在桌子上，調節(jié)擺繩的長度，使彈丸恰好能射入擺塊內，并使擺塊擺動平穩(wěn)，同時用刻度尺測出擺長；③讓擺塊靜止在平衡位置，扳動彈簧槍的扳機，把彈丸射入擺塊內，擺塊和彈丸推動指針一起擺動，記下指針的最大偏角；④多次重復步驟③，記錄指針最大偏角的平均值；⑤換不同擋位測量，并將結果填入下表。完成下列填空：擋位低速擋中速擋高速擋平均最大偏角θ(度)15.719.1彈丸質量m(kg)0.007650.007650.00765擺塊質量M(kg)0.07890.07890.0789擺長l(m)0.2700.2700.270彈丸的速度v(m/s)5.036.777.15(1)現(xiàn)測得高速擋指針最大偏角如圖乙所示，請將表中數(shù)據(jù)補充完整：θ＝__________°。(2)用上述測量的物理量表示發(fā)射彈丸的速度v＝__________。(已知重力加速度為g)(3)為減小實驗誤差，每次實驗前，并不是將指針置于豎直方向的零刻度處，常常需要試射并記下各擋對應的最大指針偏角，每次正式射擊前，應預置指針，使其偏角略小于該擋的最大偏角。請寫出這樣做的一個理由：_________________________________?！窘馕觥?1)分度值為1°，故讀數(shù)為22.6°(22.4°～22.8°均正確)。(2)彈丸射入擺塊內，系統(tǒng)動量守恒，有mv＝(m＋M)v′，擺塊向上擺動，由機械能守恒定律得eq\f(1,2