鲁科版（新教材）2022版高考一轮复习第9章动量及其守恒定律实验13验证动量守恒定律（物理 学案）(1)

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实验十三　验证动量守恒定律1．斜槽末端的切线必须水平；2．入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放；3．选质量较大的小球作为入射小球；4．实验过程中实验桌、斜槽、记录的白纸的位置要始终保持不变。1．系统误差(1)斜槽末端不水平；(2)入射小球与被碰小球不是正碰。2．偶然误差(1)入射小球不从同一高度由静止释放；(2)小球落点的确定。考点1　实验原理与实验操作典例　某学习小组用半径相同的小球1和小球2碰撞验证动量守恒定律，实验装置如图所示，斜槽与水平槽平滑连接。安装好实验装置，在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸，记下重垂线所指的位置O。接下来的实验步骤如下。步骤1：不放小球2，让小球1从斜槽上A点由静止滚下，并落在地面上。重复多次，用尽可能小的圆把小球的所有落点圈在里面，认为其圆心就是小球落点的平均位置。步骤2：把小球2放在斜槽前端边缘处的B点，让小球1从A点由静止滚下，使它们碰撞。重复多次，并使用与步骤1同样的方法分别标出碰撞后两小球落点的平均位置。步骤3：用刻度尺分别测量三个落地点的平均位置M、P、N点离O点的距离，即线段OM、OP、ON的长度。(1)(多选)对上述实验操作，下列说法正确的是(　　)A．小球1的质量一定大于小球2的质量，小球1的半径可以大于小球2的半径B．将小球静止放置在轨道末端看小球是否滚动来检测斜槽轨道末端切线是否水平C．小球在斜槽上的释放点应该越高越好，这样碰撞前的速度大，测量误差较小D．复写纸铺在白纸的上面，实验过程中复写纸可以随时拿起来看印迹是否清晰并进行移动(2)(多选)以下提供的器材，本实验必需的有(　　)A．刻度尺 B．游标卡尺C．天平 　 D．秒表(3)设小球1的质量为m1，小球2的质量为m2，MP的长度为l1，ON的长度为l2，则本实验验证动量守恒定律的表达式为_____________________________________________________________________。【自主解答】解析：(1)为了能够发生对心碰撞，两小球的半径必须相同，选项A错误；将小球静止放置在轨道末端，若小球保持静止，说明轨道末端切线水平，若小球滚动，说明轨道末端切线不水平，选项B正确；碰撞前的速度不能过大，否则实验不能正常进行，选项C错误；复写纸可以移动，但是白纸不能移动，选项D正确。(2)本实验需要测量长度和质量，必需的器材有刻度尺和天平，选项A、C正确。(3)由于小球做平抛运动的时间相同，可以用OP代表小球1碰撞前的速度，用OM代表小球1碰撞后的速度，用ON代表小球2碰撞后的速度。列出的动量守恒方程为m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，整理得 m1·(OP－OM)＝m2·ON，即m1·l1＝m2·l2。答案：(1)BD　(2)AC　(3)m1·l1＝m2·l2考点2　数据分析与误差分析典例　如图甲所示，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。(1)经测定，m1＝45.0 g，m2＝7.5 g，小球落地点的平均位置距O点的距离如图乙所示。碰撞前后m1的动量分别为p1与p′1，则p1∶p′1＝________∶11；若碰撞结束时m2的动量为p′2，则p′1∶p′2＝11∶________。实验结果说明，碰撞前后总动量的比值 ＝________。(2)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(1)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。【自主解答】解析：(1)p1＝m1·，p′1＝m1·联立可得p1∶p′1＝OP∶OM＝44.80∶35.20＝14∶11p′2＝m2·则p′1∶p′2＝(m1·OM)∶(m2·ON)＝11∶2.9故 ＝≈1。(2)其他条件不变，欲使ON最大，须使m1、m2发生弹性碰撞，则其动量和能量均守恒。由m1v0＝m1v1＋m2v2，m1v＝m1v＋m2v，可得 v2＝，而v2＝，v0＝，故ON＝·OP＝×44.80 cm＝76.8 cm。答案：(1)14　2.9　1(1或1.01均可)　(2)76.8考点3　实验的改进与创新典例　某同学利用打点计时器和气垫导轨做验证动量守恒定律的实验。气垫导轨装置如图甲所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成。在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着一定数量的小孔，向导轨空腔内不断通入压缩空气，压缩空气会从小孔中喷出，使滑块稳定地漂浮在导轨上，如图乙所示，这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦引起的误差。　(1)下面是实验的主要步骤：①安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平。②向气垫导轨通入压缩空气。③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越过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。④使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳。⑤把滑块2(所用滑块1、2如图丙所示)放在气垫导轨的中间。⑥先__________________，然后______________，让滑块带动纸带一起运动。⑦取下纸带，重复步骤④⑤⑥，选出较理想的纸带，如图丁所示。⑧用天平测得滑块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。试完成实验步骤⑥的内容。(2)已知打点计时器每隔0.02 s打一个点，试计算两滑块相互作用以前系统的总动量为____ kg·m/s；两滑块相互作用以后系统的总动量为____ kg·m/s。(结果均保留3位有效数字)。(3)试说明(2)问中两结果不完全相同的主要原因是____________________。【自主解答】解析：(1)使用打点计时器时，应先接通电源，待打点计时器正常工作后，再放开滑块。(2)由纸带上打出的点迹可知两滑块相互作用前滑块1的速度v1＝ m/s＝2 m/s系统的总动量p1＝m1v1＝0.310×2 kg·m/s＝0.620 kg·m/s相互作用后，两滑块的速度v2＝ m/s＝1.2 m/s系统的总动量p2＝(m1＋m2)v2＝(0.310＋0.205)×1.2 kg·m/s＝0.618 kg·m/s。(3)系统相互作用前后的总动量不完全相同的主要原因是纸带与打点计时器的限位孔之间有摩擦。答案：(1)接通打点计时器电源　放开滑块(2)0.620　0.618　(3)纸带与打点计时器的限位孔之间有摩擦【核心归纳】验证动量守恒定律的方法很多，可以用气垫导轨，还可以用等长悬线悬挂等大的小球完成。用斜槽验证动量守恒定律是本实验主要的考查方式，一般考查实验步骤、动量守恒定律的表达式及实验的注意事项。创新角度实验装置图及创新解读实验器材的创新(1)如图所示，通过弹簧弹出的两个不同质量小球的平抛水平位移验证动量守恒定律(2)在平抛运动原理不变的前提下，利用对比性实验，体现了实验的创新性实验原理及操作过程的创新(1)如图所示，通过质量相同的两个小滑块的碰撞，分别测量出一个小滑块不碰撞时的水平位移和碰撞后两滑块整体的位移，由两位移关系即可验证(2)利用动能定理测位移，呈现了动量和能量的结合，体现了实验的创新性及多样性实验原理及数据分析的创新(1)如图所示，利用气垫导轨代替长木板，利用光电门代替打点计时器，提高实验的精确度(2)利用相对误差评价实验结果