高中物理-選擇性必修1-第一章-4-實(shí)驗(yàn)-驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律

4實(shí)驗(yàn):驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律1.通過(guò)研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊的碰撞,驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。2.通過(guò)研究斜槽末端小球的碰撞,驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。3.通過(guò)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的能力。

1|利用一維碰撞驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的兩種方案方案一:研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒

(1)質(zhì)量的測(cè)量:用①

天平

測(cè)量。(2)速度的測(cè)量:v=

,式中Δx為滑塊上擋光片的寬度,Δt為光電計(jì)時(shí)器顯示的滑塊上的擋光片經(jīng)過(guò)光電門的②

時(shí)間

。(3)所用器材:③

氣墊導(dǎo)軌

、光電計(jì)時(shí)器、④

天平

、滑塊(兩個(gè))、彈簧、

擋光片、細(xì)繩、彈性碰撞架、撞針、橡皮泥。(4)各種碰撞情景的實(shí)現(xiàn):利用彈簧、擋光片、細(xì)繩、彈性碰撞架、撞針、橡皮泥

等設(shè)計(jì)各種類型的碰撞,采用在滑塊上加重物的方法來(lái)改變碰撞物體的質(zhì)量。(5)驗(yàn)證:分別計(jì)算出兩物體碰撞前后的總動(dòng)量,并檢驗(yàn)碰撞前后總動(dòng)量的關(guān)系是否滿足動(dòng)量守恒定律,即m1v1+m2v2=m1v'1+m2v'2,在⑤

誤差

允許的范圍內(nèi)是否成立。方案二:研究斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒

(1)質(zhì)量的測(cè)量:用天平測(cè)量。(2)速度的測(cè)量:兩個(gè)小球碰撞前后瞬間的速度方向都是水平的,因此,兩球碰撞前后

的速度,可以利用⑥

平拋運(yùn)動(dòng)

的知識(shí)求出。(3)所用器材:斜槽、兩個(gè)大小相等而質(zhì)量不等的小球、重垂線、白紙、復(fù)寫(xiě)紙、

刻度尺、天平、⑦

圓規(guī)

。2|誤差分析1.系統(tǒng)誤差:主要來(lái)源于裝置本身(1)碰撞是否為⑧

一維

碰撞。(2)實(shí)驗(yàn)是否滿足動(dòng)量守恒的條件:如氣墊導(dǎo)軌是否⑨

水平

、兩球是否等大。2.偶然誤差:主要來(lái)源于⑩

質(zhì)量

和

速度

的測(cè)量。3.改進(jìn)措施:(1)設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)保證碰撞為

一維

碰撞,且盡量滿足動(dòng)量守恒的條件。(2)采取多次測(cè)量求平均值的方法減小

偶然

誤差。1.在“研究斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒”實(shí)驗(yàn)中,必須測(cè)出入射小球與被碰小

球的質(zhì)量和小球飛出后落地的時(shí)間。

(

?)2.在“研究斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒”實(shí)驗(yàn)中,入射小球比被碰小球質(zhì)量大

或小均可,但二者的直徑必須相同。

(

?)3.氣墊導(dǎo)軌工作時(shí)能夠通過(guò)噴出的氣體使滑塊與導(dǎo)軌分離,從而基本消除摩擦力的影響,因此用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律時(shí),導(dǎo)軌無(wú)需水平放置。

(

?

)4.在“研究斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒”實(shí)驗(yàn)中,入射小球釋放點(diǎn)越高,對(duì)被

碰小球的作用力越大,實(shí)驗(yàn)誤差越大。

(

?

)提示:入射球的釋放點(diǎn)越高,碰撞前入射球的速度越大,相碰時(shí)相互作用的內(nèi)力越

大,阻力的影響相對(duì)越小,也有利于減小測(cè)量水平位移時(shí)的相對(duì)誤差,從而使實(shí)驗(yàn)誤

差越小。判斷正誤，正確的畫(huà)“√”，錯(cuò)誤的畫(huà)“?”。5.在“研究斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒”實(shí)驗(yàn)中,使用的斜槽必須是光滑的,

這樣可以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

(

?)提示:實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的是碰撞前后兩小球的動(dòng)量是否守恒,斜槽光滑與否對(duì)實(shí)驗(yàn)無(wú)影響。6.在用氣墊導(dǎo)軌和光電計(jì)時(shí)器做驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)時(shí),兩滑塊相碰的端面上

裝不裝彈性碰撞架,都不會(huì)影響動(dòng)量是否守恒。

(√)提示:動(dòng)量守恒的條件是系統(tǒng)不受外力或所受合外力為零,在兩滑塊相碰的端面上裝不裝彈性碰撞架,都不會(huì)影響系統(tǒng)所受合外力,所以不會(huì)影響動(dòng)量是否守恒。1|如何借助平拋運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律情境

在偏遠(yuǎn)地區(qū)的某高中,由于教學(xué)條件有限,不僅沒(méi)有物理實(shí)驗(yàn)室,也沒(méi)有氣墊

導(dǎo)軌、光電計(jì)時(shí)器、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等實(shí)驗(yàn)器材,但幸運(yùn)的是該學(xué)校擁有一位智慧勤

勞的物理老師,我們就稱她為“智慧老師”吧。該老師利用紙板做斜槽,用泥土和砂石制作小球(經(jīng)燒結(jié),不易撞碎),并運(yùn)用平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律設(shè)計(jì)了用來(lái)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)方案,裝置如圖所示。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),粗略地驗(yàn)證了動(dòng)量守恒定律。問(wèn)題1.“智慧老師”在制作小球時(shí),用泥土和砂石做成了一個(gè)質(zhì)量較大的小球,又用泥

土做成了一個(gè)質(zhì)量較小的小球,雖然兩小球的質(zhì)量不同,但半徑卻做成相同的,這是

為什么呢?提示:為了讓兩小球的碰撞是對(duì)心碰撞(一維碰撞),這樣可以減小實(shí)驗(yàn)誤差。2.“智慧老師”每次都選用質(zhì)量較大的泥土、砂石制作的小球去碰撞質(zhì)量較小的

泥土小球,這又是為什么呢?提示:避免碰后小球反向運(yùn)動(dòng)。3.若“智慧老師”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),未放球B時(shí),球A撞在圖示的P點(diǎn);與球B碰撞后,球A撞

在M點(diǎn),球B撞在N點(diǎn)。簡(jiǎn)述該老師如何利用平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。提示:未放球B時(shí),球A平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t1=

;球A與B碰撞后,球A平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t2=

,球B平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t3=

,則有vA=

=

,v'A=

=

,v'B=

=

,驗(yàn)證表達(dá)式mAvA=mAv'A+mBv'B在誤差允許的范圍內(nèi)是否成立,即驗(yàn)證

=

+

在誤差允許的范圍內(nèi)是否成立。4.該“智慧老師”所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案有何精妙之處?提示:用高度測(cè)量代替速度測(cè)量,即利用平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,抓住平拋運(yùn)動(dòng)水平位移相

同,把測(cè)速度大小轉(zhuǎn)化成測(cè)高度的大小。

實(shí)驗(yàn)裝置利用斜槽實(shí)現(xiàn)兩小球(半徑相同)的一維碰撞,實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示。讓一個(gè)質(zhì)量較

大(m1)的小球從斜槽上滾下,與放在斜槽末端的另一個(gè)質(zhì)量較小(m2)的小球發(fā)生碰

撞,之后兩小球均做平拋運(yùn)動(dòng)。

丙

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)在一維碰撞中,測(cè)出兩小球的質(zhì)量m1、m2和碰撞前后兩小球的速度v1、v2、v'1、v'2,

算出碰撞前的總動(dòng)量p=m1v1+m2v2及碰撞后的總動(dòng)量p'=m1v'1+m2v'2,看碰撞前后動(dòng)量

是否守恒。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程(1)用天平測(cè)出兩小球的質(zhì)量,并選用質(zhì)量大的小球?yàn)槿肷湫∏颉?2)按照?qǐng)D甲安裝實(shí)驗(yàn)裝置,調(diào)整使斜槽末端水平并固定斜槽。(3)白紙?jiān)谙聫?fù)寫(xiě)紙?jiān)谏?并在適當(dāng)位置鋪放好,記下重垂線所指的位置O。(4)不放被碰小球,讓入射小球從斜槽上某固定高度自由滾下,重復(fù)10次,用圓規(guī)畫(huà)盡量小的圓把小球的所有落點(diǎn)都圈在里面,圓心P就是小球落點(diǎn)的位置。(5)把被碰小球放在斜槽末端,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和被碰

小球落點(diǎn)的平均位置N,如圖乙、丙。(6)連接O、N,測(cè)量線段OP、OM、ON的長(zhǎng)度,將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。(7)整理好實(shí)驗(yàn)器材放回原處。

數(shù)據(jù)處理方法(1)利用平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律計(jì)算速度,測(cè)出碰撞前后小球落點(diǎn)到O間的距離xOP、xOM、

xON,小球在空中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間均相同,設(shè)為Δt,可得小球平拋運(yùn)動(dòng)的初速度為v=

,即可