物理实验十二 验证动量守恒定律 .ppt

实验十二验证动量守恒定律实验准备实验目的(1)验证一维碰撞中的动量守恒定律.(2)探究一维弹性碰撞的特点.实验原理在一维碰撞中，测出物体的质量m1、m2和碰撞前后物体的速度v1、v2和v1、v2，算出碰撞前的动量pm1v1m2v2及碰撞后的动量pm1v1m2v2，即可验证碰撞前后动量是否守恒.实验器材斜槽复写纸圆规_、大小相等质量不同的小钢球两个、重锤线、白纸、_、天平、刻度尺、_、铅笔等.实验过程实验步骤水平水平高度(1)先用天平测出小钢球的质量 m1、m2.(2)按要求安装好实验装置，将斜槽固定在桌边，使斜槽的末端切线_，把被碰小球放在斜槽前边的小支柱上，调节实验装置使两小球碰撞时处于同一_，确保碰撞后的速度方向水平.(3)在地上铺一张白纸，白纸上铺放_.复写纸(4)在白纸上记下重锤线所指的位置 O，它表示入射小球 m1碰撞前球心的竖直投影位置.被碰小球同一高度(5)先不放_，让入射小球从斜槽上_处滚下，重复 10 次，用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面，圆心就是入射小球不碰撞时的落地点平均位置 P.(6)把_放在小支柱上，让入射小球从同一高度滚下，使它们发生正碰，重复 10 次，同理求出入射小球落点的平均位置 M 和被碰小球落点的平均位置 N.被碰小球(7)过 O、N 在纸上作一直线，取 OO2r，O就是被碰小球碰撞时球心的竖直投影位置.(如图 S12-1 所示)图 S12-1(8)用刻度尺测出线段 OM、OP、ON 的长度，把两小球的质量和相应的水平位移数值代入_，看等式是否成立.m1OPm1OMm2ON(9)整理实验器材放回原处.实验分析注意事项(1)前提条件：碰撞的两小球应保证“水平”和“正碰”.(2)斜槽末端必须水平；入射小球每次都必须从斜槽上同一高度静止滚下；白纸铺好后不能移动；入射小球的质量应大于被碰小球的质量，即m1m2，且r1r2r.误差分析(1)系统误差：主要来源于装置本身是否符合要求，即碰撞是否为一维碰撞.(2)偶然误差：主要来源于质量 m 和平抛的水平距离的测量.【基础检测】某同学用如图 S12-2 所示的装置做“验证动量守恒定律”的实验.先将 a 球从斜槽轨道上某固定点处由静止开始滚下，在水平地面上的记录纸上留下压痕，重复 10 次；再把同样大小的b 球放在斜槽轨道末水平段的最右端上，让 a 球仍从固定点由静止开始滚下，和 b 球相碰后，两球分别落在记录纸的不同位置处，重复 10 次.图 S12-2(1)本实验必须测量的物理量有_.A.斜槽轨道末端距水平地面的高度 HB.小球 a、b 的质量 ma、mbC.小球 a、b 的半径 rD.小球 a、b 离开斜槽轨道末端后平抛飞行的时间 tE.记录纸上 O 点到 A、B、C 各点的距离 OA、OB、OCF.a 球的固定释放点到斜槽轨道末端水平部分间的高度差 h(2)放上被碰小球 b，两球(mamb)相碰后，小球 a、b 的落地点依次是图中水平面上的_点和_点.(3)某同学在做实验时，测量了过程中的各个物理量，利用上述数据验证碰撞中的动量守恒，那么判断的依据是看_和_在误差允许范围内是否相等.解析：(1)B 点是不发生碰撞时a 球的落地点，A 点是发生碰撞后a 球的落地点，C 点是碰后b 球的落地点.设小球a 运动到轨道末端时的速度大小为vB，与球 b 发生碰撞后的瞬时速度大小为vA，碰后b球的速度大小为vC，本实验就是要验证关系式mavBmavAmbvC是否成立.因为小球做平抛运动的高度相同，下落时间相同，它们在水平方向上位移与水平方向上的速否成立，B、E 正确.(2)两球碰撞后，a 球在水平方向上的分速度较小，下落时间相同时，落地时的水平位移也较小，所以小球 a、b 的落地点依次是图中水平面上的 A 点和 C 点.考点1实验操作和原理的考查重点归纳(1)实验常考的操作调节斜槽末端水平：把一小球放在斜槽末端，若小球不滚动，则已经水平.入射小球每次都要从同一高度由静止释放，保证碰撞前的速度不变.小球平均落点的确定：用一个最小的圆把小球的所有落点圈在一起，这个圆的圆心就是小球的平均落点.(2)实验原理图 S12-3质量分别为m1和m2的两小球发生正碰，碰前m1运动，m2 静止，根据动量守恒定律应有m1v1m1v1m2v2.各小球在同一高度做平抛运动，运动时间相等，则动量守恒时有典例剖析例题：如图 S12-4 所示，用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律，即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系.图 S12-4(1)实验中，直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的.但是，可以通过仅测量_，间接地解决这个问题.A.小球开始时的释放高度 hB.小球抛出点距地面的高度 HC.小球做平抛运动的射程(2)图中 O 点是小球抛出点在地面上的垂直投影.实验时，先让入射球 m1 多次从斜轨上 S 位置静止释放，找到其平均落地点的位置 P，测量平抛射程 OP.然后，把被碰小球 m2 静置于轨道的水平部分，再将入射球 m1 从斜轨上 S 位置静止释放，与小球m2 相碰，并多次重复.接下来要完成的必要步骤是_.A.用天平测量两个小球的质量 m1、m2B.测量小球 m1 开始时的释放高度 hC.测量抛出点距地面的高度 HD.分别找到 m1、m2 相碰后平均落地点的位置 M、NE.测量平抛射程 OM、ON(3)若两球相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为_；若碰撞是弹性碰撞，那么还应满足的表达式为_.用(2)中测量的量表示图 S12-5(5)有同学认为，在上述实验中仅更换两个小球的材质，其他条件不变，可以使被碰小球做平抛运动的射程增大.请你用(4)中已知的数据，分析和计算出被碰小球 m2 平抛运动射程 ON 的最大值为_cm.解析：(1)在落地高度不变的情况下，水平位移就能反映平抛初速度的大小，所以仅测量小球做平抛运动的射程就能间接测量速度.(2)测量平均落点的位置，找到平抛的水平位移，因此步骤中 D、E 是必须的，而且D 先E 后，至于用天平测质量先后均可.答案：(1)C (2)ADE(5)76.80【考点练透】1.在“验证动量守恒定律”的实验中，某同学用如图 S12-6所示的装置进行如下的实验操作：图 S12-6先将斜槽轨道的末端调整水平，在一块平木板表面钉上白纸和复写纸，并将该木板竖直立于槽口处.使小球 a 从斜槽上紧靠挡板处由静止释放，小球撞到木板并在白纸上留下痕迹 O；将木板向远离槽口平移一段距离，再使小球 a 从斜槽上紧靠挡板处由静止释放，小球撞到木板上得到痕迹 B；然后把半径相同的小球 b 静止放在斜槽水平末端，小球a 仍从原来挡板处由静止释放，与小球 b 相碰后，两球撞在木板上得到痕迹 A 和 C；用天平测量 a、b 的质量分别为 ma、mb，用刻度尺测量纸上 O 点到 A、B、C 三点的竖直距离分别为 y1、y2、y3.(1)小球 a 与小球 b 相碰后，两球撞在木板上得到痕迹 A 和C，其中小球 a 撞在木板上的_(填“A”或“C”)点.(2)用本实验中所测量的量来验证两球碰撞过程动量守恒，其表达式为：_(仅用 ma、mb、y1、y2、y3表示).解析：(1)碰后vavb，所以a撞在木板上的C点.考点2重点归纳实验方案一 其他验证方案利用气垫导轨完成一维碰撞实验实验器材气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等.实验步骤1.测质量：用天平测出滑块质量.2.安装：正确安装好气垫导轨.3.实验：接通电源，利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度(改变滑块的质量；改变滑块的初速度大小和方向).4.验证：一维碰撞中的动量守恒.数据处理器说明书上给出，也可直接测量)，t 为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间.2.验证的表达式：m1v1m2v2m1v1m2v2实验方案二 利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验实验器材带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等.实验步骤1.测质量：用天平测出两小球的质量 m1、m2.2.安装：把两个等大小球用等长悬线悬挂起来.3.实验：一个小球静止，拉起另一个小球，放下时它们相碰.4.测速度：可以测量小球被拉起的角度，从而算出碰撞前对应小球的速度，测量碰撞后小球摆起的角度，算出碰撞后对应小球的速度.5.改变条件：改变碰撞条件，重复实验.6.验证：一维碰撞中的动量守恒.数据处理1.摆球速度的测量：，式中 h 为小球释放时(或碰撞后摆起的)高度，h 可用刻度尺测量(也可由量角器和摆长计算出).2.验证的表达式：m1v1m2v2m1v1m2v2实验方案三在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验实验器材光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥等.实验步骤1.测质量：用天平测出两小车的质量.2.安装：将打点计时器固定在光滑长木板的一端，把纸带穿过打点计时器，连在小车的后面，在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥.3.实验：接通电源，让小车 A 运动，小车 B 静止，两车碰撞时撞针插入橡皮泥中，把两小车连接成一体运动.出速度.5.改变条件：改变碰撞条件，重复实验.6.验证：一维碰撞中的动量守恒.数据处理2.验证的表达式：m1v1m2v2(m1m2)v典例剖析例2：(2014 年新课标全国卷)现利用如图 S12-7 所示的装置验证动量守恒定律.在图中，气垫导轨上有 A、B 两个滑块，滑块 A 右侧带有一弹簧片，左侧与打点计时器(图中未画出)的纸带相连；滑块 B 左侧也带有一弹簧片，上面固定一遮光片，光电计时器(未完全画出)可以记录遮光片通过光电门的时间.图 S12-7实验测得滑块 A 的质量 m10.310 kg，滑块 B 的质量 m2 0.108 kg，遮光片的宽度 d1.00 cm；打点计时器所用交流电的频率 f50.0 Hz.将光电门固定在滑块 B 的右侧，启动打点计时器，给滑块A 一向右的初速度，使它与 B 相碰.碰后光电计时器显示的时间为tB 3.500 ms，碰撞前后打出的纸带如图 S12-8 所示.图 S12-8 最大为 5%，本实验是否在误差范围内验证了动量守恒定律？请写出运算过程.解：按定义，滑块运动的瞬时速度大小 v 为式中s 为滑块在很短时间t 内走过的路程设纸带上相邻两点的时间间隔为tA，则 tA 可视为很短.设滑块 A 在碰撞前、后瞬时速度大小分别为 v0、v1将式和图给实验数据代入式可得 v0 2.00 m/sv10.970 m/s 设滑块 B 在碰撞后的速度大小为v2，由式有v2dtB代入题给实验数据得 v22.86 m/s设两滑块在碰撞前、后的动量分别为 p 和 p，则pm1v0 pm1v1m2v2 两滑块在碰撞前、后总动量相对误差的绝对值为联立式并代入有关数据，得p1.7%5%因此，本实验在允许的误差范围内验证了动量守恒定律.【考点练透】2.为了验证动量守恒定律(探究碰撞中的不变量)，某同学选取了两个材质相同，体积不等的立方体滑块 A 和 B，按下述步骤进行实验：步骤 1：在 A、B 的相撞面分别装上尼龙拉扣，以便二者相撞以后能够立刻结为整体；步骤 2：安装好实验装置如图 S12-9 所示，铝质轨道槽的左端是倾斜槽，右端是长直水平槽，倾斜槽和水平槽由一小段圆弧连接，轨道槽被固定在水平桌面上，在轨道槽的侧面与轨道等高且适当远处装一台数码频闪照相机；图 S12-9步骤 3：让滑块 B 静置于水平槽的某处，滑块 A 从斜槽某处由静止释放，同时开始频闪拍摄，直到 A、B 停止运动，得到一幅多次曝光的数码照片；步骤 4：多次重复步骤 3，得到多幅照片、挑出其中最理想的一幅，打印出来，将刻度尺紧靠照片放置，如图 S12-10 所示.图 S12-10(1)由图分析可知，滑块 A 与滑块 B 碰撞发生的位置_.A.在 P5、P6 之间B.在 P6 处C.在 P6、P7 之间(2)为了探究碰撞中动量是否守恒，需要直接测量或读取的物理量是_.A.A、B两个滑块的质量m1和m2B.滑块A释放时距桌面的高度C.频闪照相的周期D.照片尺寸和实际尺寸的比例E.照片上测得的x45、x56和x67、x78F.照片上测得的x34、x45、x56和x67、x78、x89G.滑块与桌面间的动摩擦因数写出验证动量守恒的表达式_.(3)请你写出一条有利于提高实验准确度或改进实验原理的建议：_.答案：(1)B(2)AFm1(x452x56x34)(m1m2)(2x67x78x89)(3)将轨道的一端垫起少许，平衡摩擦力，使得滑块碰撞前后都做匀速运动(其他答案合理也正确)