高考物理一輪復習-實驗七-驗證動量守恒定律

實驗七驗證動量守恒定律一、實驗目的1．會用實驗裝置測速度或用其他物理量表示物體的速度大小。2．驗證在系統(tǒng)不受外力的作用下，系統(tǒng)內物體相互作用時總動量守恒。二、實驗原理與要求[基本實驗要求]1．實驗原理在一維碰撞中，測出物體的質量和碰撞前、后物體的速度，算出碰撞前的動量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的動量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前后的動量在誤差允許范圍內是否相等。2．實驗器材氣墊導軌、數(shù)字計時器、天平、滑塊(兩個)、擋光片、彈簧片、細繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等。3．實驗步驟(1)測質量：用天平測出滑塊質量。(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(a.改變滑塊的質量。b．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。[規(guī)律方法總結]1．數(shù)據(jù)處理驗證表達式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。2．注意事項(1)碰撞的兩物體應保證“水平”和“正碰”。(2)利用氣墊導軌進行實驗，調整氣墊導軌時，注意利用水平儀確保導軌水平。3．(1)系統(tǒng)誤差：主要來源于裝置本身是否符合要求。①碰撞是否為一維碰撞。②實驗是否滿足動量守恒的條件，如氣墊導軌是否水平等。(2)偶然誤差：主要來源于質量m和速度v的測量。命題點一教材原型實驗實驗原理與操作[典例1]

現(xiàn)利用圖(a)所示的裝置驗證動量守恒定律。在圖(a)中，氣墊導軌上有A、B兩個滑塊，滑塊A右側帶有一彈簧片，左側與打點計時器(圖中未畫出)的紙帶相連；滑塊B左側也帶有一彈簧片，上面固定一遮光片，光電計時器(未完全畫出)可以記錄遮光片通過光電門的時間。實驗測得滑塊A的質量m1＝0.310kg，滑塊B的質量m2＝0.108kg，遮光片的寬度d＝1.00cm；打點計時器所用交流電的頻率f＝50.0Hz。將光電門固定在滑塊B的右側，啟動打點計時器，給滑塊A一向右的初速度，使它與B相碰。碰后光電計時器顯示的時間為ΔtB＝3.500ms，碰撞前后打出的紙帶如圖(b)所示。[答案]

見解析實驗數(shù)據(jù)處理與分析[典例2]

(2021·四川省眉山市高三第三次診斷)圖甲所示為曉宇同學利用氣墊導軌驗證動量守恒定律的實驗裝置，利用彈射裝置給滑塊a一水平向右的速度，使其拖動紙帶在氣墊導軌上運動，經過一段時間滑塊a與靜止的滑塊b發(fā)生相互作用，兩滑塊碰后粘在一起共同在氣墊導軌上運動，在整個過程中打出的紙帶如圖乙所示。已知兩滑塊的質量分別用ma、mb表示，紙帶上打出相鄰兩點之間的時間間隔為T，x1和x2已知。(1)若碰撞過程系統(tǒng)的動量守恒，則需驗證的關系式為____________________________(用ma、mb、x1、x2表示)；(2)如果將上述物理量均測量出，代入數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)碰前的動量略大于碰后的動量，請分析引起實驗誤差的原因______________________________________________(寫出一條即可)。7max2＝5(ma＋mb)x1

紙帶與打點計時器的限位孔有摩擦或有空氣阻力等(2)因為紙帶與打點計時器限位孔有摩擦力的作用，并且還有空氣阻力等因素存在，從而使兩結果并不完全相同，但在誤差允許的范圍內，可以認為動量守恒。命題點二實驗創(chuàng)新設計實驗器材創(chuàng)新[典例3]

用如圖所示的裝置可以驗證動量守恒定律。(1)實驗中質量為m1的入射小球和質量為m2的被碰小球的質量關系是m1________m2。(選填“大于”“等于”或“小于”)大于(2)圖中O點是小球拋出點在地面上的投影。實驗時，先讓入射小球m1多次從斜軌上S位置由靜止釋放，找到其平均落地點的位置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，再將入射小球m1從斜軌上S位置由靜止釋放，與小球m2相碰，并多次重復本操作。接下來要完成的必要步驟是________。(填選項前的字母)A．用天平測量兩個小球的質量m1、m2B．測量小球m1開始釋放的高度hC．測量拋出點距地面的高度HD．分別通過畫最小的圓找到m1、m2相碰后平均落地點的位置M、NE．測量平拋射程OM、ON(3)若兩球相碰前后的動量守恒，其表達式可表示為__________________________[用(2)中測量的量表示]。ADEm1·OP＝m1·OM＋m2·ON

[解析]

(1)為防止碰撞后入射小球反彈，實驗中質量為m1的入射小球和質量為m2的被碰小球的質量關系是m1大于m2。(2)如果碰撞過程系統(tǒng)動量守恒，以水平向右為正方向，由動量守恒定律得m1v1＝m1v2＋m2v3，小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，上式兩邊同時乘以t得m1v1t＝m1v2t＋m2v3t，得m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，所以實驗需要測量：兩球的質量、兩球落點的水平位移，故選A、D、E。(3)由(2)可知，實驗需要驗證的表達式為：m1OP＝m1OM＋m2ON。創(chuàng)新評價本題的創(chuàng)新點體現(xiàn)在利用平拋運動的水平分位移代替碰撞前后的速度，簡化了實驗過程。

實驗設計創(chuàng)新[典例4]

(2021·河南鄭州六校聯(lián)考)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。創(chuàng)新評價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)。

實驗目的創(chuàng)新[典例5]

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。擋位平均最大偏角θ(角度)彈丸質量m(kg)擺塊質量M(kg)擺長l(m)彈丸的速度v(m/s)低速擋15.70.007650.07890.2705.03中速擋19.10.007650.07890.2706.77高速擋0.007650.07890.2707.15完成下列填空：(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