实验：验证动量守恒定律（配套课件）- 新教材高二物理人教版选择性必修第一册·学习笔记 .pptx

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1、,4实验：验证动量守恒定律,第一章动量守恒定律,【学习目标】,1.会根据器材和要求设计实验方案. 2.通过实验验证一维碰撞情况下系统的动量守恒.,【内容索引】,精析典题 提升能力,随堂演练 逐点落实,课时 对点练,明确原理 提炼方法,MINGQUEYUANLI TI LIAN FANG FA,明确原理提炼方法,1,一、实验原理,在一维碰撞的情况下，设两个物体的质量分别为m1、m2，碰撞前的速度分别为v1、v2，碰撞后的速度分别为v1、v2，若系统所受合外力为零，则系统的动量守恒，则 .,m1v1m2v2m1v1m2v2,二、实验方案设计,方案1：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 (1)质量的

2、测量：用 测量. (2)速度的测量：v ，式中的d为滑块上挡光板的 ，t为数字计 时器显示的滑块上的挡光板经过 的时间.,光电门,天平,宽度,(3)碰撞情景的实现：如图1所示，利用弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥设计各种类型的碰撞，利用在滑块上加重物的方法改变碰撞物体的质量.,图1,(4)器材：气垫导轨、数字计时器、滑块(带挡光板)两个、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥、天平.,方案2：研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒,图2,(1)质量的测量：用 测量.,天平,如图2甲所示，让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来，与放在斜槽水平末端的另一质量较小的同样大小的小球发生碰撞，之

3、后两小球都做平抛运动.,(2)速度的测量：由于两小球下落的高度相同，所以它们的飞行时间相等.如果以小球的飞行时间为单位时间，那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平速度.只要测出不放被碰小球时入射小球在空中飞出的水平距离OP，以及碰撞后入射小球与被碰小球在空中飞出的水平距离OM和ON，就可以表示出碰撞前后小球的速度.,(3)碰撞情景的实现： 不放被碰小球，让入射小球m1从斜槽 上某一位置由 滚下，记录平抛的水 平位移OP. 在斜槽水平末端放上被碰小球m2，让m1从斜槽 位置由静止滚下，记下两小球离开斜槽做平抛运动的水平位移OM、ON. 验证 与 在误差允许范围内是否相等.,静止,同一,m1

4、OP,m1OMm2ON,(4)器材：斜槽、两个大小相等而质量不等的小球、重垂线、白纸、复写纸、刻度尺、天平、圆规.,三、实验步骤,不论哪种方案，实验过程均可按实验方案合理安排，参考步骤如下： (1)用天平测出相关质量. (2)安装实验装置. (3)使物体发生一维碰撞，测量或读出相关物理量，计算相关速度，填入预先设计好的表格. (4)改变碰撞条件，重复实验. (5)通过对数据的分析处理，验证碰撞过程动量是否守恒. (6)整理器材，结束实验.,返回,JING XI DIAN TI TISHENGNENGLI,精析典题提升能力,2,一、验证气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒,1.本实验碰撞前、后速度大小

5、的测量采用极限法，v ，其中d为挡光板的宽度. 2.注意速度的矢量性：规定一个正方向，碰撞前后滑块速度的方向跟正方向相同即为正值，跟正方向相反即为负值，比较m1v1m2v2与m1v1m2v2是否相等，应该把速度的正负号代入计算. 3.造成实验误差的主要原因是存在摩擦力.利用气垫导轨进行实验，调节时确保导轨水平.,例1某同学利用气垫导轨做“验证动量守恒定律”的实验，气垫导轨装置如图3所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成. (1)下面是实验的主要步骤： 安装好气垫导轨，调节气垫 导轨的调节旋钮，使导轨水平； 向气垫导轨通入压缩空气； 接通数字计时器； 把滑块2静止放在气垫导轨

6、的中间； 滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；,图3,释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧带有固定弹簧(未画出)的滑块2碰撞，碰后滑块2和滑块1依次通过光电门2，两滑块通过光电门2后依次被制动； 读出滑块通过光电门的挡光时间分别为：滑块1通过光电门1的挡光时间t110.01 ms，通过光电门2的挡光时间t249.99 ms，滑块2通过光电门2的挡光时间t38.35 ms； 测出挡光板的宽度d5 mm，测得滑块1的质量为m1300 g，滑块2(包括弹簧)的质量为m2200 g.,(2)数据处理与实验结论： 实验中气垫导轨的作用是： A._； B._.,答案见解析,解析A.大大减小了因滑块和导轨

7、之间的摩擦而引起的误差. B.保证两个滑块的碰撞是一维的.,碰撞前滑块1的速度v1为_ m/s；碰撞后滑块1的速度v2为_ m/s；碰撞后滑块2的速度v3为_ m/s；(结果均保留两位有效数字),答案见解析,滑块1碰撞之后的速度,碰撞前系统的总动量为m1v1_. 碰撞后系统的总动量为m1v2m2v3_. 由此可得实验结论：_.,答案见解析,解析系统碰撞之前m1v10.15 kgm/s，系统碰撞之后m1v2m2v30.15 kgm/s. 通过实验结果，可得结论：在实验误差允许的范围内，两滑块相互作用的过程，系统的动量守恒.,二、验证斜槽末端小球碰撞时的动量守恒,本实验应注意： (1)入射小球的质

8、量m1大于被碰小球的质量m2(m1m2). (2)入射小球半径等于被碰小球半径. (3)入射小球每次必须从斜槽上同一高度处由静止滚下. (4)斜槽末端的切线方向水平.,(5)为了减小误差，需要找到不放被碰小球及放被碰小球时小球落点的平均位置.为此，需要让入射小球从同一高度多次滚下，进行多次实验，然后用圆规画尽量小的圆把小球所有的落点都圈在里面，其圆心即为小球落点的平均位置. (6)不需要测量速度的具体数值.因平抛运动高度相同，下落时间相等，速度的测量可转换为水平距离的测量.,例2某同学用图4甲所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来验证动量守恒定律，图中CQ是斜槽，QR为水平槽，二者平滑相接，

9、调节实验装置，使小球放在QR上时恰能保持静止，实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下，落到位于水平地面上的记录纸上，留下痕迹.重复上述操作10次，得到10个落点痕迹.然后把B球放在水平槽上靠近,图4,槽末端的地方，让A球仍从位置G由静止开始滚下，和B球碰撞后，A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹.重复这种操作10次.,图甲中O是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点，P为未放被碰球B时A球的平均落点，M为与B球碰后A球的平均落点，N为被碰球B的平均落点.若B球落点痕迹如图乙所示，其中米尺水平放置，且平行于OP.米尺的零点与O点对齐.,(1)入射球A的质量mA和被碰球B的质量mB的关

10、系是mA_mB(选填“” “”或“”).,解析要使两球碰后都向右运动，A球质量应大于B球质量，即mAmB.,(2)碰撞后B球的水平射程约为_cm.,解析将10个点圈在圆内的最小圆的圆心为平均落点，可由米尺测得碰撞后B球的水平射程约为64.7 cm.,64.7(64.265.2均可),(3)下列选项中，属于本次实验必须测量的是_(填选项前的字母). A.水平槽上未放B球时，测量A球平均落点位置到O点的距离 B.A球与B球碰撞后，测量A球平均 落点位置到O点的距离 C.测量A球或B球的直径 D.测量A球和B球的质量 E.测量G点相对于水平槽面的高度,ABD,解析从同一高度做平抛运动，飞行的时间t相

11、同，而水平方向为匀速直线运动，故水平位移xvt，所以只要测出小球飞行的水平位移，就可以用水平位移的测量值代替平抛初速度.故需测出未放B球时A球飞行的水平距离OP和碰后A、B球飞行的水平距离OM和ON，及A、B两球的质量，故A、B、D正确.,(4)若系统动量守恒，则应有关系式：_.,mAOPmAOMmBON,解析若动量守恒，需验证的关系式为mAvAmAvAmBvB，,代入上式得mAOPmAOMmBON.,例3利用如图5所示的装置做“验证动量守恒定律”的实验，质量为mA的钢球A用细线悬挂于O点，质量为mB的钢球B放在离地面高度为H的小支柱N,三、实验创新设计,图5,上.O点到A球球心的距离为L.使

12、悬线在A球释放前伸直，且线与竖直方向的夹角为，A球释放后摆动到最低点时恰与B球正碰，碰撞后，A球把轻质指示针OC推移到与竖直方向夹角为处，B球落到地面上，地面上铺一张盖有复写纸的白纸D.保持角度不变，多次重复上述实验，白纸上记录了多个B球的落点，重力加速度为g.(悬线长远大于小球半径),(1)图中x应是B球初始位置到_的水平距离. (2)为了验证动量守恒，应测得的物理量有_.,B球平均落点,mA、mB、H、L、x,(3)用测得的物理量表示(vA为A球与B球刚要相碰前A球的速度，vA为A球与B球刚相碰后A球的速度，vB为A球与B球刚相碰后B球的速度)： mAvA_； mAvA_； mBvB_.,

13、解析小球A在碰撞前、碰撞后的两次摆动过程，均满足机械能守恒定律.小球B在碰撞后做平抛运动，则x应为B球的平均落点到其初始位置的水平距离.,碰撞后对A，由机械能守恒定律得,碰后B做平抛运动，,故要得到碰撞前后的动量，要测量的物理量有mA、mB、H、L、x.,返回,SUITANGYANLIAN ZHUDIANLUOSHI,随堂演练逐点落实,3,1.(2020南宁市宾阳中学高二期末)如图6所示，在实验室用两端带竖直挡板C、D的气垫导轨和带有固定挡板的质量都是M的滑块A、B做“验证动量守恒定律”的实验： (1)把两滑块A和B紧贴在一起，在A上放一质量为m的砝码，置于导轨上，用电动卡销卡住A和B，在A和

14、B的固定挡板间放一弹簧，使弹簧处于水平方向上的压缩状态. (2)按下电钮使电动卡销放开，同时启动两个记录两滑块运动时间的电子计时器，当A和B与挡板C和D碰撞的同时，电子计时器自动停表，记下A至C的运动时间t1，B至D的运动时间t2. (3)重复几次取t1、t2的平均值.,1,2,图6,请回答以下几个问题： 在调整气垫导轨时应注意_；,1,2,使气垫导轨水平,解析为了保证滑块A、B作用后做匀速直线运动，必须使气垫导轨水平.,应测量的数据还有_ _；,1,2,滑块A的左端到挡板C的距离s1和滑块B的右端到挡,解析要求出A、B两滑块在卡销放开后的速度，需测出A至C的时间t1和B至D的时间t2，并且要

15、测量出两滑块到挡板的距离s1和s2，再由公式v 求出其速度.,板D的距离s2,只要关系式_成立，即可验证动量守恒定律.,1,2,1,2,2.现利用图7(a)所示的装置“验证动量守恒定律”.在图(a)中，气垫导轨上有A、B两个滑块，滑块A右侧带有一弹簧片，左侧与穿过打点计时器(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，数字计时器(未完全画出)可以记录遮光片通过光电门的时间.,1,2,图7,实验测得滑块A的质量m10.310 kg，滑块B的质量m20.108 kg，遮光片的宽度d1.00 cm；打点计时器所用交变电流的频率f50.0 Hz. 将光电门固定在滑块B的右侧，启

16、动打点计时器，给滑块A一向右的初速度，使它与B相碰.碰后数字计时器显示的时间为tB3.500 ms，碰撞前后打出的纸带如图(b)所示.,1,2,若实验允许的相对误差绝对值( 100%)最大为5%，本实验是否在误差允许范围内验证了动量守恒定律？写出运算过程.,1,2,答案见解析,解析根据速度的定义，滑块运动的瞬时速度大小,1,2,式中s为滑块在很短时间t内通过的路程 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. 将式和题图所给实验数据代入式 可得v02.00 m/s v10.970 m/s 设滑块B碰撞后的速度大小为v2， 由式有,1

17、,2,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 pm1v00.620 kgm/s pm1v1m2v20.610 kgm/s,1,2,两滑块在碰撞前、后总动量相对误差的绝对值为,返回,联立得p1.6%5%. 因此，本实验在误差允许的范围内验证了动量守恒定律,KE SHI DUI DIAN LIAN,课时对点练,4,1.用气垫导轨进行实验时，经常需要使导轨保持水平，检验气垫导轨是否水平的方法之一是：轻推一下滑块，使其先后滑过光电门1和光电门2，如图1所示，其上的遮光条将光遮住，电子计时器可自动记录滑块先后经过光电门1、2时的遮光时间t1和t2，比较t1和t

18、2即可判断导轨是否水平，为使这种检验更精准，正确的措施是 A.换用质量更大的滑块 B.换用宽度x更小的遮光条 C.提高测量遮光条宽度x的精确度 D.尽可能增大光电门1、2之间的距离L,1,2,3,4,5,6,图1,解析本题中如果导轨水平，则滑块应做匀速运动，因此要想更精准地进行检验可以增大光电门1、2之间的距离，从而更准确地判断速度是否发生变化；而换用质量更大的滑块、宽度更小的遮光条以及提高测量遮光条宽度x的精确度对速度变化均没有影响，故选项D正确，A、B、C错误.,1,2,3,4,5,6,2.(2020广东省实验中学、广雅中学、佛山一中高二下期末)某同学利用打点计时器和气垫导轨做“验证动量守

19、恒定律”的实验，气垫导轨装置如图2甲所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成.,1,2,3,4,5,6,图2,(1)下面是实验的主要步骤： 安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平； 向气垫导轨通入压缩空气；,把打点计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧，将纸带穿过打点计时器与弹射架并固定在滑块1的左端，调节打点计时器的高度，直至滑块拖着纸带移动时，纸带始终在水平方向； 使滑块1挤压导轨左端弹射架上的弹射装置； 把滑块2放在气垫导轨的中间；,1,2,3,4,5,6,先_，然后 _，让滑块带动纸带一起运动，然后两滑块粘合到一起；,接通打点计时器的电源,放开滑块1,取下纸带，

20、重复步骤，选出较理想的纸带如图乙所示；,测得滑块1(包括撞针)的质量为310 g，滑块2(包括橡皮泥)的质量为205 g，试着完善实验步骤的内容.,1,2,3,4,5,6,(2)已知打点计时器每隔0.02 s打一个点，计算可知，两滑块相互作用前系统的总动量为_ kgm/s；两滑块相互作用后系统的总动量为_ kgm/s.(保留三位有效数字),0.620,0.618,系统的总动量为0.310 kg2 m/s0.620 kgm/s，,1,2,3,4,5,6,系统的总动量为(0.310 kg0.205 kg)1.2 m/s0.618 kgm/s.,1,2,3,4,5,6,(3)试说明(2)中两结果不完

21、全相等的主要原因是_ _.,纸带与打点计时器的限位,孔间有摩擦及滑块受到空气阻力,3.某同学设计了一个用打点计时器探究碰撞过程中不变量的实验：在小车甲的前端黏有橡皮泥，推动小车甲使之做匀速直线运动，然后与原来静止在前方的小车乙相碰并粘合成一体，而后两车继续做匀速直线运动，他设计的具体装置如图3所示.在小车甲后连着纸带，打点计时器打点频率为50 Hz，长木板一端下面垫着小木片用以平衡摩擦力.,1,2,3,4,5,6,图3,(1)若已得到打点纸带如图4所示，并将测得的各计数点间距离标在图上，A点是运动起始的第一点，则应选_段来计算甲的碰前速度，应选_段来计算甲和乙碰后的共同速度(以上两空均选填“A

22、B”“BC”“CD”或“DE”).,1,2,3,4,5,6,图4,BC,DE,解析观察打点计时器打出的纸带，点迹均匀的阶段BC应为小车甲与乙碰前的阶段，CD段点迹不均匀，故CD段应为碰撞阶段，甲、乙碰撞后一起做匀速直线运动，打出间距均匀的点，故应选DE段计算碰后共同的速度.,1,2,3,4,5,6,(2)已测得小车甲的质量m甲0.40 kg，小车乙的质量m乙0.20 kg，由以上测量结果可得：碰前m甲v甲m乙v乙_ kgm/s；碰后m甲v甲m乙v乙_ kgm/s(结果保留3位有效数字).,1,2,3,4,5,6,0.420,0.417,m甲v甲m乙v乙0.417 kgm/s.,1,2,3,4,

23、5,6,(3)由(2)可得出的结论是_ _.,1,2,3,4,5,6,在误差允许范围内，碰撞前后两个小车的mv之,和是相等的,解析在误差允许范围内，碰撞前后两个小车的mv之和是相等的.,4.(2021珠海二中月考)“验证碰撞中的动量守恒”实验装置如图5所示，让质量为m1的小球A从斜槽上的某一位置自由滚下，与静止在支柱上大小相等、质量为m2的小球B发生碰撞.(球A运动到水平槽末端时刚好与B球发生碰撞) (1)安装轨道时，要求轨道末端_.,图5,解析为了保证每次小球都做平抛运动，则需要轨道的末端切线水平.,1,2,3,4,5,6,切线水平,(2)两小球的质量应满足m1_m2.,解析验证碰撞中的动量

24、守恒实验，为防止入射球反弹，入射球的质量应大于被碰球的质量，即m1m2.,1,2,3,4,5,6,(3)用游标卡尺测小球直径时的读数如图6所示，则小球的直径d_ cm.,解析游标卡尺的游标是10分度的，其精确度为0.1 mm， 则读数为：10 mm40.1 mm10.4 mm1.04 cm.,1,2,3,4,5,6,1.04,图6,(4)实验中还应测量的物理量是_. A.两小球的质量m1和m2 B.小球A的初始高度h C.轨道末端切线离地面的高度H D.两小球平抛运动的时间t E.球A单独滚下时的落地点P与O点的距离sOP F.碰后A、B两小球的落地点M、N与O点的距离sOM和sON,1,2,

25、3,4,5,6,AEF,解析小球离开轨道后做平抛运动，它们抛出点的高度相同，在空中的运动时间t相等，两球碰撞动量守恒， 有：m1v1m1v1m2v2， 两边同时乘以时间t， 则m1v1tm1v1tm2v2t， 根据落点可化简为：m1sOPm1sOMm2(sONd)， 则实验还需要测出：两小球的质量m1和m2；球A单独滚下时的落地点P点到O点的距离sOP和碰后A、B两小球的落地点M、N与O点的距离sOM和sON，故选A、E、F.,1,2,3,4,5,6,(5)若碰撞中动量守恒，根据图中各点间的距离，下列式子可能成立的是_.,解析根据动量守恒：m1OPm1OMm2ON,1,2,3,4,5,6,B,

26、(6)若碰撞过程无机械能损失，除动量守恒外，还需满足的关系式是_.(用所测物理量的符号表示),解析若碰撞过程无机械能损失，,1,2,3,4,5,6,m1sOP2m1sOM2m2(sONd)2,可得：m1sOP2m1sOM2m2(sONd)2.,5.如图7所示的装置是“冲击摆”，摆锤的质量很大，子弹以初速度v0从水平方向射入摆中并留在其中，随摆锤一起摆动.(重力加速度为g) (1)子弹射入摆锤后，与摆锤一起从最低位置摆至最高位置的过程中，_守恒.要得到子弹和摆锤一起运动的初速度v，还需要测量的物理量有_. A.子弹的质量mB.摆锤的质量M C.冲击摆的摆长lD.摆锤摆动时摆线的最大摆角,1,2,

27、3,4,5,6,图7,机械能,CD,(2)用问题(1)中测量的物理量得出子弹和摆锤一起运动的初速度v_.,解析子弹射入摆锤后，与摆锤一起从最低位置摆至最高位置的过程中，机械能守恒.设在最低位置时，子弹和摆锤的共同速度为v，,1,2,3,4,5,6,要得到子弹和摆锤一起运动的初速度v，还需要测量的物理量有冲击摆的摆长l，摆锤摆动时摆线的最大摆角.,(3)通过表达式_，即可验证子弹与摆锤作用过程中的不变量.(用已知量和测量量的符号m、M、v、v0表示),1,2,3,4,5,6,mv0(mM)v,解析射入摆锤前子弹速度为v0，不变量为mv0；子弹和摆锤一起运动的瞬间速度为v，不变量为(mM)v，该过

28、程中mv0(mM)v.,6.某物理兴趣小组利用如图8甲所示的装置进行“验证动量守恒定律”的实验.在足够大的水平平台上的A点放置一个光电门，水平平台上A点右侧摩擦很小，可忽略不计，左侧为粗糙水平面.实验步骤如下： A.在小滑块a上固定一个宽度为d的窄挡光片；,1,2,3,4,5,6,图8,B.用天平分别测出小滑块a(含挡光片)和小球b的质量ma、mb； C.在a和b间用细线连接，中间夹一被压缩了的水平轻质短弹簧，静止放置在平台上；,D.烧断细线后，a、b瞬间被弹开，向相反方向运动； E.记录滑块a通过光电门时挡光片的遮光时间t； F.小球b从平台边缘飞出后，落在水平地面的B点，用刻度尺测出平台距

29、水平地面的高度h及平台边缘铅垂线与B点之间的水平距离sb； G.改变弹簧压缩量，进行多次测量.,1,2,3,4,5,6,(1)用螺旋测微器测量挡光片的宽度，如图乙所示，则挡光片的宽度为_mm.,2.550,解析螺旋测微器的固定刻度读数为2.5 mm，可动刻度读数为0.015.0 mm0.050 mm，所以最终读数为：2.5 mm0.050 mm2.550 mm.,1,2,3,4,5,6,(2)该实验要验证动量守恒定律，则只需验证两物体a、b弹开后的动量大 小相等，即_.(用上述实验所涉及物理量的字母表示， 当地重力加速度为g),1,2,3,4,5,6,解析烧断细线后，a向左运动，经过光电门，,1,2,3,4,5,6,b离开平台后做平抛运动，根据平抛运动规律可得：,1,2,3,4,5,6,若动量守恒，设向右为正， 则有：0mbvbmava,返回,