人教版 (2019)选择性必修 第一册4 实验：验证动量守恒定律一等奖ppt课件

高中物理新教材特点分析及教学策略

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4　实验：验证动量守恒定律

[学习目标]　1.知道如何创造动量守恒的条件.2.会根据实验原理设计实验方案.3.掌握一维碰撞下速度的测量及数据处理的方法．

一、实验原理

动量守恒定律的适用条件是系统不受外力或者所受外力的矢量和为0.当发生碰撞时作用时间很短，内力远大于外力，因此碰撞满足动量守恒的条件．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，则所受外力的矢量和为0       .

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)质量的测量：用天平测量．

(2)速度的测量：v＝，式中的d为滑块上挡光板的宽度，Δt为数字计时器显示的滑块上的挡光板经过光电门的时间．

(3)碰撞情景的实现：如图所示，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．

(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．

(5)验证的表达式：所受外力的矢量和为0      (注意速度的矢量性)

方案2：研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒

如图甲所示，让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来，与放在斜槽末端的另一质量较小的同样大小的小球发生正碰，之后两小球都做平抛运动．

(1)质量的测量：用天平测量．

(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：

①不放被碰小球，让入射小球m1从斜槽上某一位置由静止滚下，记录平抛的落点P及水平位移OP.

②在斜槽水平末端放上被碰小球m2，让m1从斜槽同一位置由静止滚下，记下两小球离开斜槽做平抛运动的落点M、N及水平位移OM、ON.

(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．

(5)验证的表达式：m1·OP＝m1·OM＋m2·ON.

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．

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m1v1＋m2v2与m1v1′＋m2v2′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：

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接通数字计时器；

④把滑块2静止放在气垫导轨的中间；

⑤滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；

⑥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；

⑦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Δt1＝10.01 ms，通过光电门2的挡光时间Δt2＝49.99 ms，滑块2通过光电门2的挡光时间Δt3＝8.35 ms；

⑧测出挡光板的宽度d＝5 mm，测得滑块1的质量为m1＝300 g，滑块2(包括弹簧)的质量为m2＝200 g.

(2)数据处理与实验结论：

①实验中气垫导轨的作用是：

A．________________________________________________________________________；

B．________________________________________________________________________.

②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)

③碰撞前系统的总动量为m1v1＝________.

碰撞后系统的总动量为m1v2＋m2v3＝________.

由此可得实验结论：_____________________________________________________________.

二、验证斜槽末端小球碰撞时的动量守恒

本实验应注意：

(1)入射小球的质量m1大于被碰小球的质量m2(m1>m2)．

(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，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.米尺的零刻度与O点对齐．

(1)入射球A的质量mA和被碰球B的质量mB的关系是mA________mB(选填“>”“<”或“＝”)．

(2)碰撞后B球的水平射程约为________cm.

(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

(4)若系统动量守恒，则应有关系式：________________________________________________.

三、实验创新设计

例3　利用如图所示的装置做“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α，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β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α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，应测量的物理量有________．

(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′＝________________.

1．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．

(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；

④使滑块1挤压导轨左端弹射架上的弹射装置；

⑤把滑块2放在气垫导轨的中间；

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；

⑦取下纸带，重复步骤④⑤⑥，选出较理想的纸带如图乙所示；

⑧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⑥的内容．

(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

___ kg·m/s；两滑块相互作用后系统的总动量为________ kg·m/s.(保留三位有效数字)

(3)试说明(2)中两结果不完全相等的主要原因是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

2.(2022·珠海二中月考)“验证碰撞中的动量守恒”实验装置如图所示，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________．

(2)两小球的质量应满足m1________m2.

(3)用游标卡尺测小球直径时的读数如图所示，则小球的直径d＝________ cm.

(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

(5)若碰撞中动量守恒，根据图中各点间的距离，下列式子成立的是________．

A.＝   B.＝

C.＝   D.＝

(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)

3．(2021·吴江平望中学高二月考)如图甲所示，在做验证动量守恒定律实验时，在小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速运动，然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续做匀速运动．在小车A后连着纸带，电磁打点计时器的电源频率为50 Hz，长木板右端下面垫放小木片用以补偿阻力．

(1)实验开始前_______(选填“需要”或“不需要”)补偿阻力，理由：____________________，方法是：________________.

(2)若打点纸带如图乙所示，并测得各计数点间距(已标在图上)．A为打下的第一点，则应选________段来计算A的碰前速度，应选________段来计算A和B碰后的共同速度．(以上两空选填“AB”“BC”“CD”或“DE”)

(3)已测得小车A的质量m1＝0.40 kg，小车B的质量m2＝0.20 kg，由以上测量结果可得碰前总动量为______ kg·m/s，碰后总动量为______ kg·m/s.实验结论：__________________.(计算结果保留三位有效数字)

4．某物理兴趣小组利用如图甲所示的装置进行“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；

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．a和b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，并向相反方向运动；

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水平地面的高度h及平台边缘重垂线与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)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)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)

5．(2022·洮南市第二中学高二月考)在“验证动量守恒定律”实验中，实验装置如图所示，按照以下步骤进行操作：

①在平木板表面钉上白纸和复写纸，并将该木板竖直立于紧靠槽口处，将小球a从斜槽轨道上固定点处由静止释放，撞到木板并在白纸上留下痕迹O；

②将木板水平向右移动一定距离并固定，再将小球a从固定点处由静止释放，撞到木板上得到痕迹B；

③把小球b静止放在斜槽轨道水平段的最右端，让小球a仍从固定点处由静止释放，和小球b相碰后，两球撞在木板上得到痕迹A和C.

(1)下列措施可减小实验误差的是________．

A．斜槽轨道必须是光滑的

B．每次实验均重复几次后，再记录平均落点

C．a球和b球的半径和质量满足ra＝rb和ma＜mb

(2)为完成本实验，必须测量的物理量有________．

A．a球开始释放的高度h

B．木板水平向右移动的距离L

C．a球和b球的质量ma、mb

D．O点到A、B、C三点的距离y1、y2、y3

(3)只要验证等式____________成立，即表示碰撞中动量守恒．[用(2)中测量的物理量表示]