物理 第十六章 动量守恒定律 1 实验 探究碰撞中的不变量1 新人教版选修3-5 .ppt

动量守恒定律第十六 章 1实验：探究碰撞中的不变量实验：探究碰撞中的不变量学 基础导学实验目的实验目的1明确探究物体碰撞中的不变量的基本思路明确探究物体碰撞中的不变量的基本思路2探究一维碰撞中的不变量探究一维碰撞中的不变量实验原理实验原理利利用用碰碰撞撞中中的的简简单单情情况况一一维维碰碰撞撞进进行行探探究究，一一维维碰碰撞撞是指两个物体碰撞前后均沿同一直线运动的碰撞是指两个物体碰撞前后均沿同一直线运动的碰撞方方案案一一利利用用气气垫垫导导轨轨实实现现一一维维碰碰撞撞，实实验验装装置置如如图图所所示示(4)实验方法：实验方法：两物体弹开时的碰撞情况两物体弹开时的碰撞情况用用细细线线将将弹弹簧簧片片拉拉成成弓弓形形，放放置置于于质质量量不不等等的的两两个个滑滑块块之之间间，并并使使它它们们静静止止，然然后后烧烧断断细细线线，弹弹簧簧片片弹弹开开后后落落下下，两两个个滑块随即向相反方向运动滑块随即向相反方向运动(图甲图甲)能量损失很小的碰撞情况能量损失很小的碰撞情况在两滑块相碰的端面装上弹性碰撞架在两滑块相碰的端面装上弹性碰撞架(图乙图乙)机械能损失最大的碰撞情况机械能损失最大的碰撞情况在在两两个个滑滑块块的的碰碰撞撞端端分分别别装装上上撞撞针针和和橡橡皮皮泥泥，碰碰撞撞时时撞撞针针插入橡皮泥中，把两个滑块连成一体运动插入橡皮泥中，把两个滑块连成一体运动(如图丙如图丙)方方案案三三利利用用小小车车在在光光滑滑桌桌面面上上碰碰撞撞另另一一静静止止小小车车实实现现一一维碰撞，实验装置如图所示维碰撞，实验装置如图所示实验器材实验器材方方案案一一气气垫垫导导轨轨、光光电电计计时时器器、天天平平、滑滑块块(两两个个)、弹弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥方方案案二二带带细细线线的的摆摆球球(两两套套)、铁铁架架台台、天天平平、量量角角器器、坐标纸、胶布等坐标纸、胶布等方方案案三三光光滑滑长长木木板板、打打点点计计时时器器、纸纸带带、小小车车(两两个个)、天平、撞针、橡皮泥天平、撞针、橡皮泥实验步骤实验步骤不不论论采采用用哪哪种种方方案案，实实验验过过程程均均可可按按实实验验方方案案合合理理安安排排，参考步骤如下：参考步骤如下：(1)用天平测相关质量用天平测相关质量(2)安装实验装置安装实验装置(3)使物体发生碰撞使物体发生碰撞(4)测测量量或或读读出出相相关关物物理理量量，计计算算有有关关速速度度，填填入入设设计计好好的表格的表格(5)改变碰撞条件，重复步骤改变碰撞条件，重复步骤3、4(6)整理实验器材整理实验器材误差分析误差分析产生原因产生原因减小方法减小方法偶偶然然误误差差碰撞是否为一维碰撞碰撞是否为一维碰撞设计实验方案时应保证设计实验方案时应保证碰撞为一维碰撞，如气碰撞为一维碰撞，如气垫导轨很好地控制了两垫导轨很好地控制了两个物体碰撞的一维性，个物体碰撞的一维性，方案一误差较小方案一误差较小系系统统误误差差碰撞过程中是否受其他力的碰撞过程中是否受其他力的影响，如方案一中气垫导轨影响，如方案一中气垫导轨安装不水平时，滑块会受重安装不水平时，滑块会受重力的分力影响，方案三中的力的分力影响，方案三中的小车会受到摩擦力的影响小车会受到摩擦力的影响尽量将气垫导轨调成水尽量将气垫导轨调成水平，长木板尽量光滑平，长木板尽量光滑注意事项注意事项1保保证证两两个个物物体体发发生生的的是是一一维维碰碰撞撞，即即两两个个物物体体碰碰撞撞前前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这条直线运动沿同一直线运动，碰撞后仍沿这条直线运动2若若利利用用气气垫垫导导轨轨进进行行实实验验，调调整整气气垫垫导导轨轨时时注注意意利利用用水平仪确保导轨水平水平仪确保导轨水平3若若利利用用摆摆球球进进行行实实验验，两两小小球球静静放放时时球球心心应应在在同同一一水水平平线线上上，且且刚刚好好接接触触，摆摆线线竖竖直直，将将小小球球拉拉起起后后，两两条条摆摆线线应应在同一竖直面内在同一竖直面内4碰碰撞撞有有很很多多情情形形我我们们寻寻找找的的不不变变量量必必须须在在各各种种碰碰撞撞情况下都不改变，才符合要求情况下都不改变，才符合要求讲 要点例析实验数据的处理及实验结论的探究实验数据的处理及实验结论的探究如如图图所所示示为为气气垫垫导导轨轨上上两两个个滑滑块块A、B相相互互作作用用后后运运动动过过程程的的频频闪闪照照片片，频频闪闪的的频频率率为为10 Hz开开始始时时两两个个滑滑块块静静止止，它它们们之之间间有有一一根根被被压压缩缩的的轻轻弹弹簧簧，滑滑块块用用绳绳子子连连接接，绳绳子子烧烧断断后后，两两个个滑滑块块向向相相反反方方向向运运动动已已知知滑滑块块A、B的的质质量量分分别别为为200 g、300 g，根根据据照照片片记记录录的的信信息息，A、B离离开开弹弹簧簧后后，A滑滑块块做做_运运动动，其其速速度度大大小小为为_m/s，本实验中得出的结论是，本实验中得出的结论是_解析：解析：由题图可知，由题图可知，A、B离开弹簧后，离开弹簧后，均做匀速直线运动，均做匀速直线运动，开始时开始时vA0，vB0，A、B被弹开后，被弹开后，vA009 m/s，vB006 m/s，mAvA02009 kgm/s0018 kgm/smBvB03006 kgm/s0018 kgm/s由此可得：由此可得：mAvAmBvB，即即0mBvBmAvA结结论论是是：两两滑滑块块组组成成的的系系统统在在相相互互作作用用过过程程中中质质量量与与速速度度乘积的矢量和守恒乘积的矢量和守恒答答案案：匀匀速速直直线线009两两滑滑块块组组成成的的系系统统在在相相互互作作用过程中质量与速度乘积的矢量和守恒用过程中质量与速度乘积的矢量和守恒任任何何实实验验都都有有一一定定的的误误差差，进进行行数数据据处处理理时时，只只要要在在实实验验误误差差允允许许的的范范围围即即可可探探究究得得出出相相应的结论；应的结论；因因mv是是个个矢矢量量，所所以以本本实实验验的的结结论论是是“碰碰撞撞前前后后两两个个物物体体mv的的矢矢量量和和保保持持不不变变”，而而不不能能说说成成“两两个个物物体体mv的的绝绝对值之和保持不变对值之和保持不变”11在在“探探究究碰碰撞撞中中的的不不变变量量”的的实实验验中中，下下面面是是某某实实验验小小组组选选用用水水平平气气垫垫导导轨轨、光光电电门门的的测测量量装装置置来来研研究究两两个个滑滑块块碰碰撞撞过过程程中中系系统统质质量量与与速速度度乘乘积积的的变化情况实验仪器如图所示变化情况实验仪器如图所示实验过程：实验过程：(1)调节气垫导轨水平，并使光电计时器系统正常工作调节气垫导轨水平，并使光电计时器系统正常工作(2)在滑块在滑块1上装上挡光片并测出其长度上装上挡光片并测出其长度L(3)在滑块在滑块2的碰撞端面粘上橡皮泥的碰撞端面粘上橡皮泥(或双面胶纸或双面胶纸)(4)用天平测出滑块用天平测出滑块1和滑块和滑块2的质量的质量m1、m2(5)把把滑滑块块1和和滑滑块块2放放在在气气垫垫导导轨轨上上，让让滑滑块块2处处于于静静止止状状态态(v20)，用用滑滑块块1以以初初速速度度v1与与之之碰碰撞撞(这这时时光光电电计计时时器器系系统统自自动动计计算算时时间间)，撞撞后后两两者者粘粘在在一一起起，分分别别记记下下滑滑块块1的的挡挡光光片片碰前通过光电门的遮光时间碰前通过光电门的遮光时间t1和碰后通过光电门的遮光时间和碰后通过光电门的遮光时间t2。解析：解析：先分清碰前与碰后的状态量，再代入数据计算先分清碰前与碰后的状态量，再代入数据计算答案：答案：次次数数滑块滑块1滑块滑块2碰前碰前kgm/s碰后碰后kgm/sv1/m/sv/m/sv2/m/sv/m/sm1v1m2v2(m1m2)v10.2900.18400.1840.09400.09320.4260.26900.2690.13800.136结论：在误差允许的范围内，碰前系统质量与速度乘积矢量结论：在误差允许的范围内，碰前系统质量与速度乘积矢量和等于碰后系统质量与速度乘积矢量和和等于碰后系统质量与速度乘积矢量和创新设计实验创新设计实验某某同同学学设设计计如如图图甲甲所所示示的的装装置置通通过过半半径径相相同同的的A、B两两球球的的碰碰撞撞来来探探究究碰碰撞撞过过程程中中的的不不变变量量，图图中中PQ是是斜斜槽槽，QR为为水水平平槽槽，实实验验时时先先使使A球球从从斜斜槽槽上上某某一一固固定定位位置置G由由静静止止开开始始滚滚下下，落落到到位位于于水水平平地地面面的的记记录录纸纸上上，留留下下痕痕迹迹重重复复上上述述操操作作10次次，得得到到10个个落落点点痕痕迹迹，再再把把B球球放放在在水水平平槽槽上上靠靠近近槽槽末末端端的的地地方方，让让A球球仍仍从从位位置置G由由静静止止开开始始滚滚下下，和和B球球碰碰撞撞后后，A、B球球分分别别在在记记录录纸纸上上留留下下各各自自的的落落点点痕痕迹迹，重重复复这这种种操操作作10次次图图中中O点点是是水水平平槽槽末末端端R在在记记录录纸纸上上的的垂垂直直投投影影点点，B球球落落点点痕痕迹迹如如图图乙乙所所示示，其其中中米米尺尺水水平平放放置置，且且平平行行于于G、R、O所所在在的的平平面面，米米尺尺的的零零点点与与O点点对对齐齐(1)碰撞后碰撞后B球的水平射程是球的水平射程是_ cm(2)在以下的选项中，本次实验必须进行的测量是在以下的选项中，本次实验必须进行的测量是_A水平槽上未放水平槽上未放B球时，球时，A球落点位置到球落点位置到O点的距离点的距离BA球与球与B球碰撞后，球碰撞后，A、B两球落点位置到两球落点位置到O点的距离点的距离CA、B两球的质量两球的质量DG点相对于水平槽面的高度点相对于水平槽面的高度(3)若若本本实实验验中中测测量量出出未未放放B球球时时A球球落落点点位位置置到到O点点的的距距离离为为xA，碰碰撞撞后后A、B两两球球落落点点位位置置到到O点点的的距距离离分分别别为为xA、xB，已已知知A、B两两球球半半径径均均为为r，则则通通过过式式子子_即即可可验验证证A、B两球碰撞中的不变量两球碰撞中的不变量解解析析：(1)由由于于偶偶然然因因素素的的存存在在，重重复复操操作作时时小小球球的的落落点点不不可可能能完完全全重重合合(如如图图乙乙所所示示)，处处理理的的办办法法是是用用一一个个尽尽可可能能小小的的圆圆将将“所所有有落落点点位位置置”包包括括在在内内(其其中中误误差差较较大大的的位位置置可可略略去去)，此此圆圆的的圆圆心心即即可可看看作作小小球球10次次落落点点的的平平均均位位置置，则则碰碰撞撞后后B球球的的水水平平射射程程等等于于圆圆心心到到O点点的的距距离离，由由图图乙乙可可得得此此射射程约为程约为647 cm(2)由由于于A、B离离开开水水平平槽槽末末端端后后均均做做平平抛抛运运动动，平平抛抛高高度度相相同同，运运动动时时间间相相等等，因因此此可可以以用用平平抛抛运运动动的的水水平平位位移移表表示示小小球球做做平平抛抛运运动动的的初初速速度度，没没有有必必要要测测量量G点点相相对对于于水水平平槽槽面面的的高高度度，故故A、B均均正正确确，D错错误误；要要验验证证碰碰撞撞前前后后动动量量是是否否守守恒恒，必须测量必须测量A、B两球的质量，两球的质量，C正确正确(3)依依题题意意知知，碰碰撞撞前前A球球做做平平抛抛运运动动的的水水平平位位移移为为xA，碰碰撞撞后后A、B做做平平抛抛运运动动的的水水平平位位移移分分别别为为xA、xB，由由于于碰碰撞撞前前、后后两两球球做做平平抛抛运运动动的的时时间间相相等等，因因此此通通过过式式子子mAxAmAxAmBxB，即可验证，即可验证A、B两球碰撞中的不变量两球碰撞中的不变量答案：答案：(1)647(642652均可均可)(2)ABC(3)mAxAmAxAmBxB创创新新性性实实验验就就是是利利用用所所学学的的知知识识，设设计计出出与与教教材材实实验验原原理理相相似似或或相相近近的的实实验验来来探探究究(或或验验证证)相相应应的的物物理理规规律律或或公公式式这这个个实实验验就就是是在在“探探究究物物体体间间相相互互作作用用时时的的不不变变量量”时时，为为了了确确定定物物体体的的速速度度，利利用用平平抛抛运运动动规规律律进行的迁移，这是高考试题中考查考生能力经常出现的题型进行的迁移，这是高考试题中考查考生能力经常出现的题型 21某某同同学学设设计计了了一一个个用用打打点点计计时时器器做做“探探究究碰碰撞撞中中的的不不变变量量”的的实实验验：在在小小车车A的的前前端端粘粘有有橡橡皮皮泥泥，推推动动小小车车A使使之之做做匀匀速速运运动动，然然后后与与原原来来静静止止在在前前方方的的小小车车B相相碰碰并并粘粘合合成成一一体体，继继续续做做匀匀速速运运动动他他设设计计的的具具体体装装置置如如图图(a)所所示示，在在小小车车A后后连连着着纸纸带带，电电磁磁打打点点计计时时器器电电源源频频率率为为50 Hz，长长木木板板右右端端下下面面垫垫放放小小木木片片用用以以平平衡衡摩摩擦擦力力(1)若若已已测测得得打打点点纸纸带带如如图图(b)所所示示，并并测测得得各各计计数数点点间间距距(已已标标在在图图上上)，A为为运运动动的的起起点点，则则应应选选_段段来来计计算算A碰碰前前速速度度，应应选选_段段来来计计算算A和和B碰碰后后的的共共同同速速度度(以以上上两空选填两空选填“AB”“BC”“CD”“DE)(2)已已测测得得小小车车A的的质质量量mA040 kg，小小车车B的的质质量量mB020 kg，由由以以上上测测量量结结果果可可得得：碰碰前前mAvA_ kgm/s；碰后；碰后(mAmB)v共共_ kgm/s答案：答案：(1)BCDE(2)04200417练 随堂演练1在在利利用用气气垫垫导导轨轨探探究究碰碰撞撞中中的的不不变变量量实实验验中中，哪哪些些因因素可导致实验误差素可导致实验误差()A导轨安放不水平导轨安放不水平B小车上挡光板倾斜小车上挡光板倾斜C两小车质量不相等两小车质量不相等 D两小车碰后连在一起两小车碰后连在一起解解析析：导导轨轨不不水水平平，小小车车速速度度将将会会受受重重力力影影响响，A项项对对；挡挡光光板板倾倾斜斜会会导导致致挡挡光光板板宽宽度度不不等等于于挡挡光光阶阶段段小小车车通通过过的的位位移移，导致速度计算出现误差导致速度计算出现误差B项对项对答案：答案：AB2在在用用气气垫垫导导轨轨进进行行验验证证实实验验时时，首首先先应应该该做做的的是是()A给气垫导轨通气给气垫导轨通气B对光电计时器进行归零处理对光电计时器进行归零处理C把滑块放到导轨上把滑块放到导轨上D检验挡光片通过光电门时是否能够挡光计时检验挡光片通过光电门时是否能够挡光计时解解析析：为为保保护护气气垫垫导导轨轨，在在一一切切实实验验步步骤骤进进行行之之前前，首首先应该给气垫导轨通气先应该给气垫导轨通气答案：答案：A答案：答案：D4用用如如图图所所示示的的装装置置也也可可以以完完成成“探探究究碰碰撞撞中中的的不不变变量量”实验实验若若实实验验中中选选取取的的A、B两两球球半半径径相相同同，为为了了使使A、B发发生生一一维维碰碰撞撞，应应使使两两球球悬悬线线长长度度_，悬悬点点O1、O2之之间间的的距距离离等于等于_解解析析：为为了了保保证证一一维维碰碰撞撞，碰碰撞撞点点应应与与两两球球同同在在一一条条水水平平线线上上，故故两两球球悬悬线线长长度度相相等等，O1、O2之之间间距距离离等等于于球球的的直直径径答案：答案：相等球的直径相等球的直径5如如图图(a)所所示示，在在水水平平光光滑滑轨轨道道上上停停着着甲甲、乙乙两两辆辆实实验验小小车车，甲甲车车系系一一穿穿过过打打点点计计时时器器的的纸纸带带，当当甲甲车车受受到到水水平平向向右右的的瞬瞬时时力力时时，随随即即启启动动打打点点计计时时器器，甲甲车车运运动动一一段段距距离离后后，与与静静止止的的乙乙车车发发生生正正碰碰并并粘粘在在一一起起运运动动，纸纸带带记记录录下下碰碰撞撞前前甲甲车车和和碰碰撞撞后后两两车车的的运运动动情情况况如如图图(b)所所示示，电电源源频频率率为为50 Hz，则则碰碰撞撞前前甲甲车车速速度度大大小小为为_m/s，碰碰撞撞后后的的共共同同速速度度大大小小为为_m/s答案：答案：0.60.4(2)若若采采用用图图乙乙所所示示的的方方案案，碰碰撞撞前前mv2的的总总量量_(填填“大大于于”“小小于于”或或“等等于于”)碰碰后后mv2的的总总量量，说说明明弹弹性性碰撞中，碰撞中，_守恒守恒(3)若若采采用用图图丙丙所所示示的的方方案案，碰碰撞撞前前mv2的的总总量量_(填填“大大于于”“小小于于”或或“等等于于”)碰碰后后mv2的的总总量量，说说明明非非弹弹性碰撞中，存在性碰撞中，存在_损失损失解解析析：(1)弹弹开开前前，两两滑滑块块静静止止，动动能能为为零零；弹弹开开后后，弹片的弹性势能转变为滑块的动能，故弹开后弹片的弹性势能转变为滑块的动能，故弹开后mv2增大增大(2)两两滑滑块块的的碰碰撞撞过过程程为为弹弹性性碰碰撞撞，机机械械能能守守恒恒，故故碰碰撞撞前后前后mv2不变不变(3)两两滑滑块块的的碰碰撞撞过过程程为为非非弹弹性性碰碰撞撞，该该过过程程中中机机械械能能损损失，故碰撞前失，故碰撞前mv2大于碰撞后大于碰撞后mv2答答案案：(1)大大于于弹弹片片的的弹弹性性势势能能转转化化为为滑滑块块的的动动能能，滑块的动能增加滑块的动能增加(2)等于机械能等于机械能(3)大于机械能大于机械能(2)按按下下电电钮钮使使电电动动卡卡销销放放开开，同同时时启启动动两两个个记记录录两两滑滑块块运运动动时时间间的的电电子子计计时时器器，A、B与与挡挡板板C、D相相碰碰撞撞的的同同时时，电电子子计计时时器器自自动动停停表表，记记下下A至至C的的运运动动时时间间t1和和B至至D的的运运动动时时间间t2(3)重复几次取重复几次取t1、t2的平均值的平均值在调整气垫导轨时应注意在调整气垫导轨时应注意_；应测量的数据还有应测量的数据还有_；只只要要关关系系式式_成成立立，即即可可得得出出碰碰撞撞中中守守恒恒的量是的量是mv的矢量和的矢量和答案：答案：见解析见解析谢谢观看！谢谢观看！