16.1实验探究碰撞中的不变量-教学设计.docx

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1、第十六章动量守恒定律第1节实验：探究碰撞中的不变量一、内容及其解析一内容：实验：探究碰撞中的不变量（3课时）（二）解析：本节教材从生产、生活中的现象中提出研究问题 =碰撞前后会不会有什么物理量保持不变呢？接着提出了猜测。 为了证实猜测而提出了 “实验的根本思路和实验中“需要考虑的 问题。教学内容的核心是引导学生经历碰撞问题日勺研究过程。一 方面为下两节的引入提供实验的根底；另一方面，让学生亲身经历 探究自然规律的过程，感悟自然界的和谐统一，同时，将实验技能 的训练与科学探究过程的体验有机地结合也是不容无视的。也是对 学生进行科学方法和思想教育的好时机。教学的重点是：体会思想 方法、实验观察和探

2、究，解决重点的关键是做好实验重点和关键 方法技能。二、目标及其解析实验版1.内容标准（1）探究物体弹性碰撞的一些特点。知道弹性碰撞和非弹性碰撞。12）通过实验，理解动量和动量守恒定律。能用动量守恒定律定量分析一 维碰撞问题。知道动量守恒定律的普遍意义。例1火箭的发射利用了反冲现象。例2收集资料，了解中子是怎样发现的。讨论动量守恒定律在其中的作用。（3）通过物理学中的守恒定律，体会自然界的和谐与统一。2.活动建议制作“水火箭。2021版【内容要求】1. 1. 1理解冲量和动量。通过理论推导和实验，理解动量定理和动量守恒 定律，能用其解释生产生活中的有关现象。知道动量守恒定律的普适性。例1知道火箭

3、的发射利用了反冲现象。解析：小球A在碰撞前、后的摆动过程中，满足机械能守恒定律.小 球5在碰撞后做平抛运动，那么JC应为8球的平均落点到初始位置 的水平距离.要得到碰撞前后的机匕需要测量北4、mB、a、4、L、 “、x等物理量，碰撞前对小球A,由机械能守恒定律得力阳(1cos a)=mAVA ,刃口么 mAVA = mA2gL(l cos a).碰撞后对小球A,由机械能守恒定律得1mAgL( 1 cos /3)=mAVA2,刃口么 ttiaVa = mAj2gL(l cos P).碰撞后小球B做平抛运动，三、利用“光滑水平面结合打点计时器的实验探究1 .这种碰撞的特征是：碰撞前一个物体有速度，

4、另一物体静止，碰 撞后二者速度相同.2 .碰撞前和碰撞后的速度是反映在同一条纸带上的.3保证平面光滑和水平是实验成功的重要条件.“光滑水平面可 通过将长木板一端垫高以平衡摩擦力得到.例3某同学运用以下实验器材，设计了一个碰撞实验来寻找碰 撞前后的不变量：打点计时器、低压交流电源(频率为50 Hz)、纸带、 外表光滑的长木板、带撞针的小车A、带橡皮泥的小车5、天平.该同学设计的实验步骤如下：A.用天平测出小车A的质量为惧4=0.4 kg,小车3的质量为加3= 0.2 kgB.更换纸带重复操作三次C.小车A靠近打点计时器放置，在车后固定纸带，把小车B放在 长木板中间D.把长木板平放在桌面上，在一端

5、固定打点计时器，连接电源E.接通电源，并给小车A一定的初速度出请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来(2)打点计时器打下的纸带中，比拟理想的一条如下图，根据这些数 据完成下表.X碰撞前碰撞后A车B车AB整体质量(kg)速度(m/s)m (m-s 】kgmv (kg-m/s)2 mv (kg-m2/s2)根据以上数据猜测碰撞前后不变量的表达式为.答案：ADCEB(2)见解析 (3)惧41 13.5 mm 13.5 mm 12.6 mm、 11.7 mm 10.8 mm 9.9 mm、9 mm、8.1 mm 8 mm、8 mm.从以上数据可知从第3个点到第8个点是碰撞过程，那么t= 5x0.02 s

6、 = 0.10 s.(2)碰撞前甲车速度vi =40.23x0.02xlO-3 m/s = 0.670 m/s,碰撞前甲车质量与速度的乘积 如也= 0.302 kgx0.670 m/s0.202 kg-m/s;碰撞后两 118.394.2_车 的速度V2=v=V=1不币xl(F3 m/s70.402 m/s, 碰撞后两 车的质量与速度的乘积之和为(阳+m2)M = (0.302 + 0.202)x0.402 kg-m/s0.203 kg-m/s.(3)在误差允许范围内，两车的质量与速度的乘积之和保持不变.6.某班物理兴趣小组选用如下图装置来“探究碰撞中的不变量.将 一段不可伸长的轻质小绳一端与

7、力传感器(可以实时记录绳所受的 拉力)相连并固定在。点，另一端连接小钢球A,把小钢球拉至M 处可使绳水平拉紧，小钢球自由下垂静止时处在N点，在N点右侧 放置一水平气垫导轨，气垫导轨上放有一小滑块上安装宽度较 小且质量不计的遮光板)、光电门(已连接数字毫秒计).当地的重力 加速度为g.某同学按如下图安装气垫导轨、滑块8(调整滑块5的位置使小钢球 自由下垂静止在N点时与滑块B接触而无压力)和光电门，调整好 气垫导轨高度，确保小钢球A通过最低点时恰好与滑块B发生正 碰.让小钢球A从某位置释放，摆到最低点N与滑块5碰撞，碰撞 后小钢球A并没有立即反向，碰撞时间极短.为完成实验，除了毫秒计读数入碰撞前瞬

8、间绳的拉力H、碰撞 结束瞬间绳的拉力B、滑块5的质量价和遮光板的宽度d外，还 需要测量的物理量有A.小钢球A的质量冲B.绳长LC.小钢球从M到N运动的时间(2)滑块B通过光电门时的瞬时速度v5=(用题中已给的物 理量符号来表示)(3)实验中的不变量的表达式是：(用题中已给的物理量符号来表示)答案：(1)AB(2)4(3WFimAL 皿2gL=个F2maL mA 2gL+ 解析：滑块B通过光电门时的瞬时速度VB=4fI 1Lv 2根据牛顿第二定律得：Fi mAg F2mAg=m屈.实验中的不变量为：rriAV mAV2+tyibb整理得，yFimAL m/gL=1F2maL-姓2gL+ 所以还需

9、要测量小钢球A的质量姓以及绳长LC组7. (1)利用气垫导轨通过闪光照相进行“探究碰撞中的不变量这一 实验，实验要求研究两滑块碰撞时动能损失很小和很大等各种情况, 假设要求碰撞时动能损失最大应选图中的图(填“甲或 “乙)，假设要求碰撞时动能损失最小那么应选图(填呷 或“乙).(甲图两滑块分别装有弹性圈，乙图两滑块分别装有撞针例2收集资料，了解中子的发现过程，讨论动量守恒定律在其中的作用。1.1.2 通过实验，了解弹性碰撞和非弹性碰撞的特点。定量分析一维碰撞 问题并能解释生产生活中的弹性碰撞和非弹性碰撞现象。1.1.3 体会用守恒定律分析物理问题的方法，体会自然界的和谐与统一。例3查阅资料，了解

10、太空物体的碰撞和微观粒子的碰撞等相关信息。活动建议（1）制作“水火箭。12）观察台球碰撞前后的运动情况，尝试用动量知识定性解释。一目标.知道如何用实验探究碰撞中的不变量。1 .初步掌握同一条直线上运动的两个物体碰撞前后的速度的测 量方法。2 .初步掌握实验数据处理的方法。（二）解析.通过实验研究碰撞中的不变的是哪个物理量。1 .实验碰撞前、后速度大小的测量采用极限法，,十斗 / I 1/ J 1/其中d为遮光条的宽度。2 .初步掌握实验数据处理的方法。三、问题诊断分析在本节课的教学中，学生可能遇到的问题主是实验思想、数据 采集和分析，产生这一问题的原因是学生实验能力差。采取措施： 1、把实验思

11、路讲清楚；2、引导学生分析数据。!1!I、教学支持条件分析本节是一节实验课，采用多媒体播放视频。五、教学过程设计和橡皮泥）某次实验时碰撞前B滑块静止，A滑块匀速向B滑块运动并发生 碰撞，利用闪光照相的方法连续4次拍摄得到的闪光照片如图9所 示.相邻两次闪光的时间间隔为T,在这4次闪光的过程中，A、B 两滑块均在。80 cm范围内，且第1次闪光时，滑块A恰好位于x =10 cm处.假设A、8两滑块的碰撞时间及闪光持续的时间极短， 均可忽略不计，那么可知碰撞发生在第1次闪光后的 时刻.答案：（1）乙甲（2）2.57解析：（1）假设要求碰撞时动能损失最大，那么需两滑块碰撞后结合 在一起，故应选图乙；

12、假设要求碰撞时动能损失最小，那么应该使 两滑块发生弹性碰撞，即选图甲.（2）由图可知，第1次闪光时，滑块A恰好位于x= 10 cm处，第2 次A在x=30 cm处，第3次A在x=50 cm处，碰撞在x=60 cm处， 从第3次闪光到碰撞的时间为,，那么可知碰撞发生在第1次闪光后 的2.52时刻.8.如图为“碰撞实验器，它可以探究动量守恒定律，即研究两个 小球在轨道水平局部碰撞前后的动量关系.（1）实验中必须要求的条件是.A.斜槽轨道尽量光滑以减少误差B.斜槽轨道末端的切线必须水平C.入射球和被碰球的质量必须相等，且大小相同D.入射球每次必须从轨道的同一位置由静止释放（2）图中。点是小球抛出点在

13、地面上的垂直投影.实验时，先让入射 球mi屡次从斜轨上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0尸，然后，把被碰小球牝静置于小平轨道的末端， 再将入射球如从斜轨上S位置静止释放，与小球仪相碰，并重复 屡次.本实验还需要完成的必要步骤是（填选项前的符号）.A.用天平测量两个小球的质量加、m2B.测量抛出点距地面的高度HC.分别找到根1、祖2相碰后平均落地点的位置M、ND.测量平抛射程OM、ON某次实验中得出的落点情况如下图，假设碰撞过程中动量守恒, 那么入射小球的质量m和被碰小球的质量根2之比为.答案：BD(2)ACD(3)4 ： 1九、课后反思：第一局部自学(约20%)碰撞是日

14、常生活、生产活动中常见的一种现象，两个物体发生 碰撞后，都发生变化。两个物体的质量比例不同时，它们的也不一 样。物理学中研究运动过程中的守恒量具有特别重要的意义，本节 通过实验探究碰撞过程中的什么物理量保持不变守恒)。两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿同一直线运动。 这种碰撞叫做。第二局部新课教学(互学约30%、导学约40%)问题一：如何研究碰撞中的不变量?设计意图：通过该问题串让学生知道该实验的原理、步骤、考前须 知、怎么处理数据。师生活动：学生先阅读教材内容，教师播放实验视频，学生观察视 频，答复相关问题。问题1：本实验实验原理是什么?1 . 一维碰撞两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰

15、撞后仍沿这条直线运动.这种 碰撞叫做一维碰撞.2 .实验的根本思路：寻求不变量在一维碰撞的情况下，设两个物体的质量分别为用1、mi,碰撞前的 速度分别为口、以，碰撞后的速度分别为也、也，如果速度的方向 与我们设定的坐标轴的正方向一致，取正值，反之那么取负值.探 究以下关系式是否成立：(l)miVi+m2V2=miv/+m2V2r;(2)mivi2+m2V22 = mivi +祖 2也。；(3)+=+一. 7mi m2 mi m2问题2、实验方案设计是什么？方案1：用气垫导轨结合光电门的实验探究质量的测量：用天平测量.(2)速度的测量：v=爷，式中的Ax为滑块上挡光板的宽度，加为数 字计时显示器

16、显示的滑块上的挡光板经过光电门的时间.碰撞情景的实现如下图，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.(4)器材：气垫导轨、光电计时器、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：利用摆球结合机械能守恒定律的实验探究所需测量量：悬点至球心的距离/,摆球被拉起(碰后)的角度仇 摆球质量m.(2)速度的计算：v=2g/(l-cos ff).碰撞情景的实现：如下图，用贴胶布的方法增大两球碰撞时的能 量损失.(4)器材：带细线的摆球(两套)、铁架台、量角器、坐标纸、胶布、 天平.方案3：

17、利用“光滑水平面结合打点计时器的实验探究(1)所需测量量：纸,带上两计数点间的距离Ax,小车经过Ax所用的 时间Nt,小车质量m.(2)速度的计算:Ax产而碰撞情景的实现：如下图，A运动，B静止，在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥，碰撞时撞针插入橡皮泥中，把两个小车连 接成一体.(4)器材：长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、撞针、橡皮泥、 天平.问题3、实验有哪些步骤？不管哪种方案，实验过程均可按实验方案合理安排，参考步骤如下:用天平测出相关质量.安装实验装置.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.改变碰撞条件，重复实验.通过对数据的分析处理，

18、找出碰撞中的不变量.(6)整理器材，结束实验.问题4、怎样进行数据处理？将实验中测得的物理量填入下表，物体碰撞后运动的速度与原来的 方向相反时需要注意正负号.碰撞前碰撞后质量mim2mimi通过研究以上实验数据，找到碰撞前后的“不变量.速度V1V2也V2mvmivi +加2V2miv/+ 根 2V22 mvmivi2+2 机2V2mivi2+ 加 2V22V mV1 , V2 十 mi m2V1 V2 + m mi其他猜 测 问题5、实验中应该注意的事项？1 .前提条件：应保证碰撞的两物体发生的是一维碰撞，即两个物体 碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿同一直线运动.2 .方案提醒：假设利用气垫导

19、轨进行实验，调整气垫导轨时一，注意利用水平仪 确保导轨水平.(2)假设利用摆球进行实验，两小球静放时球心应在同一水平线上， 且刚好接触，摆线竖直，将一个小球拉起后，两条摆线应在同一竖 直平面内.3 .探究结论：寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变，才符 合要求.问题二：题型研究一、利用气垫导轨结合光电门的实验探究1 .本实验碰撞前、后速度大小的测量采用极限法，口=%=（，其 L_X1/ L_X L中d为遮光条的宽度.2 .实验误差存在的主要原因是摩擦力的一存在.利用气垫导轨进行 实验，调节气垫导轨时注意利用水平仪，确保导轨水平.【例1】某同学利用气垫导轨做“探究碰撞中的不变量的实验.气 垫

20、导轨装置如下图，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、 光电门等组成.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；接通光电计时器；把滑块2静止放在气垫导轨的中间；滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；释放滑块L滑块1通过光电门1后与左侧固定弹簧的滑块2碰 撞，碰后滑块1和滑块2依次通过光电门2,两滑块通过光电门2 后依次被制动；读出滑块通过两个光电门的挡光时间分别为：滑块1通过光电门 1的挡光时间力= 10.01 ms,通过光电门2的挡光时间人力=49.99 ms,滑块2通过光电门2的挡光时间A%3 = 8.35 ms；测出挡光片的宽度4=

21、5 mm,测得滑块1的质量为如= 300 g, 滑块2（包括弹簧）的质量为祖2=200 g.（2）数据处理与实验结论：实验中气垫导轨的作用是：A.B.碰撞前滑块1的速度vi为 m/s；碰撞后滑块1的速度V2为 m/s；滑块2的速度V3为 m/s.（结果均保存两位有效数字）在误差允许的范围内，通过本实验，同学们可以探究出哪些物理 量是不变的？通过对实验数据的分析说明理由.（至少答复2个不变 量）a. 答案：见解析解析：（2）A.大大减小了因滑块和导轨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.d 5x03滑块1碰撞之前的速度vi =T-mx/in-3 m/s0.5。m/s;Azi 1

22、0.01x10。滑块1碰撞之后的速度d5x10-3d5x10-32=49.99x103m/s0.10 m/s;J 5x03滑块2碰撞之后的速度及=运而m/s0.60 m/s;a.系统质量与速度的乘积之和不变.原因：系统碰撞之前miVi = 0.15 kg-m/s,系统碰撞之后m1也十根2y3 =0.15 kg-m/s.b.系统碰撞前后总动能不变.1原因：系统碰撞之前的思动能 反1 =7如疗=0.037 5 J系统碰撞之后的总动能Ek22m i 22+2V32=0.037 5 J所以系统碰撞前后总动能相等. c.系统碰撞前后质量不变.二、利用摆球结合机械能守恒定律的实验探究.碰撞前后摆球速度的大

23、小可从摆线的摆角反映出来，所以方便准 确地测出碰撞前后绳的摆角大小是实验的关键.1 .根据机械能守恒定律计算碰撞前后摆球的速度.【例2】如下图的装置中，质量为处的钢球/用细线悬挂于。点， 质量为如的钢球B放在离地面高度为H的小支柱N上.O点到A 球球心的距离为L使悬线在A球释放前伸直，且线与竖直方向的夹 角为。，释放A球，当A球摆动到最低点时恰与B球碰撞，碰撞后, A球把轻质指示针OC推移到与竖直方向夹角为6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，屡次重 复上述实验，白纸上记录到多个B球的落点.（1）图中x应是B球初始位置到 的水平距离.为了探究碰撞中的守恒量，应测得 等物理量.（3）用测得的物理量表示（以为A球与B球刚要相碰前A球的速度， 次为A球与B球刚相碰后A球的速度,*为A球与B球刚相碰后B 球的速度）：mAVA ；IUbVb =答案：（1*球平均落点 （2）M、ttib、a、S、L、H、x2H(3)m2gL(1 cos a)mAl2gL( 1 cos B)m