【高考物理】九大力学实验：实验8 验证动量守恒定律（考点复习-练习）

这是一份【高考物理】九大力学实验：实验8 验证动量守恒定律（考点复习-练习），共24页。试卷主要包含了 实验原理， 实验方案， 误差分析， 注意事项，考点五，考点六，考点七，考点八等内容，欢迎下载使用。
====================实验讲解====================
一、 实验原理
在一维碰撞中，测出物体的质量m和碰撞前后物体的速度v、v′，找出碰撞前的动量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的动量p′＝m1v1′＋m2v2′，验证碰撞前后动量是否守恒。
二、 实验方案
实验方案一：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．（①改变滑块的质量。②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]
1．滑块速度的测量v＝，式中Δx为滑块遮光片的宽度（仪器说明书上给出，也可直接测量），Δt为数字计时器显示的滑块（遮光片）经过光电门的时间。
2．验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2.
实验方案二：利用等长摆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细线悬挂起来。
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v＝，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：m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2.
实验方案三：利用两辆小车完成一维碰撞实验
[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。
[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，把两小车连接成一个整体运动。
4．测速度：通过纸带上两计数点间的距离及时间，由v＝算出速度。
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]
1．小车速度的测量v＝，式中Δx是纸带上两计数点间的距离，可用刻度尺测量，Δt为小车经过Δx的时间，可由打点间隔算出。
2．验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2.
实验方案四：利用斜槽滚球验证动量守恒定律
[实验器材]
斜槽、小球（两个）、天平、复写纸、白纸等。
[实验步骤]
1．测质量：用天平测出两小球的质量，并选定质量大的小球为入射小球。
2．安装：按照如图所示安装实验装置．调整固定斜槽使斜槽底端水平。
3．铺纸：白纸在下，复写纸在上且在适当位置铺放好．记下重垂线所指的位置O。
4．放球找点：不放被撞小球，每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，重复10次．用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面．圆心P就是小球落点的平均位置。
5．碰撞找点：把被撞小球放在斜槽末端，每次让入射小球从斜槽同一高度自由滚下，使它们发生碰撞，重复实验10次．用步骤4的方法标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N.如图所示。
6．验证：连接ON，测量线段OP、OM、ON的长度．将测量数据填入表中．最后代入m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，看在误差允许的范围内是否成立。
7．结束：整理好实验器材放回原处。
[数据处理]
验证的表达式：m1·OP＝m1·OM＋m2·ON。
三、 误差分析
1．系统误差：主要来源于实验器材及实验操作等。
（1） 碰撞是否为一维碰撞．
（2） 气垫导轨是否完全水平，摆球受到空气阻力，小车受到长木板的摩擦力，入射小球的释放高度存在差异。
2．偶然误差：主要来源于质量m1、m2和碰撞前后速度（或水平射程）的测量。
四、 注意事项
1．前提条件：碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。
2．方案提醒
（1） 若利用气垫导轨进行验证，给滑块的初速度应沿着导轨的方向。
（2） 若利用摆球进行验证，实验前两摆球应刚好接触且球心在同一水平线上，将摆球拉起后，两摆线应在同一竖直平面内。
（3） 若利用两小车相碰进行验证，要注意平衡摩擦力。
（4） 若利用平抛运动规律进行验证，安装实验装置时，应注意调整斜槽，使斜槽末端水平，且选质量较大的小球为入射小球。
====================创新实验====================

====================典型考题====================
一、考点一：利用光电门验证
1．某学习小组采用图甲所示的装置验证滑块碰撞过程中的动量守恒。
（1）用天平测得滑块A、B（均包括挡光片）的质量分别为、；
（2）用游标卡尺测得固定在滑块A、B上的挡光片的宽度为d；
（3）为了将气垫导轨调节为水平状态，在接通充气泵电源后，导轨左侧放一滑块并推动滑块，滑块通过两个光电门时，与光电门1、2相连的计时器测得的挡光时间分别为、，则应将导轨右端 （选填“调高”或“调低”），直至滑块通过两个光电门两个计时器显示的时间相等；
（4）滑块B放在两个光电门之间，滑块A向左挤压导轨架上的弹片后释放滑块A，碰后滑块A、B均一直向右运动。与光电门1相连的计时器的示数只有一个，为，与光电门2相连的计时器的示数有两个，先后为、，则碰后滑块A的速度大小为 （用测得的物理量表示）；
（5）在实验误差允许范围内，若表达式 （用测得的物理量表示）成立，则说明滑块A、B碰撞过程中动量守恒。
2．利用图示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为m1的滑块A与质量为m2的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞，碰撞时间极短，比较碰撞后A和B的速度大小和，进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞。完成下列填空：
（1）开动气泵，调节气垫导轨，直至看到导轨上的滑块能在短时间内保持静止，可认为气垫导轨 ；
（2）要使碰撞后两滑块运动方向相反，应使滑块A的质量m1 滑块B的质量m2（选填“大于”、“小于”或“等于”）。
（3）调节B的位置，使得A与B接触时，A的左端到左边挡板的距离与B的右端到右边挡板的距离相等。
（4）使A以一定的初速度沿气垫导轨运动，并与B碰撞，分别用传感器记录A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间和，则碰后A的速度为 ，B的速度为 。（用、、、表示）
（5）将B放回到碰撞前的位置，改变A的初速度大小，多次重复步骤（4）。
（6）由（4）（5）数据得到的平均值。
（7）理论研究表明，对本实验的碰撞过程，是否为弹性碰撞可由判断。若两滑块的碰撞为弹性碰撞，则的理论表达式为；因此，如果（6）中的实际平均值与（7）中理论值结果间的差别在允许范围内，则可认为滑块A与滑块B在导轨上的碰撞为弹性碰撞。
二、考点二：利用平抛运动验证
3．如图所示，用下面实验器材可以验证两个小球碰撞前后的动量是否守恒。图中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影，M、P、N三点是小球地面上的平均落点。
(1)实验中除了测两小球的质量外，还需测量___________。
A．小球抛出点距地面的高度B．小球开始释放位置距地面高度
C．碰撞前入射球平抛运动的水平距离D．碰撞后两球各自平抛运动的水平距离
(2)关于实验操作和器材说法正确的是___________。
A．斜槽末端必须光滑B．每次从同一位置静止释放入射球
C．两球直径可以不同D．入射球质量大于靶球质量
(3)实验中记录数据如下表所示
为了达到“验证动量守恒”的实验目的，需要验证的表达式为 。（用上述表格中的物理量符号表示）；由以上数据分析此次碰撞为 （“弹性”或“非弹性”）碰撞。
4．在验证动量守恒定律实验中，实验装置如图所示，a、b是两个半径相等的小球，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末端，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)实验中除斜槽轨道、木板、白纸、复写纸、天平外，在下列器材中，还必须使用的器材是__________。
A．秒表B．刻度尺C．游标卡尺
(2)若碰撞过程中没有机械能损失，为了保证在碰撞过程中a球不反弹，a、b两球的质量间的关系是 。（选填“>”“=”或“m2，将甲硬币放在斜面的某一位置，标记此位置为B。如图（a）所示，甲由静止释放滑下，当甲停在水平面上某一位置处，测量O点到甲停止位置的距离OP，记为s0。如图（b）所示，将乙硬币放置在O点位置，左侧与O点重合，并将甲硬币在B点由静止释放。当两枚硬币发生碰撞后，分别测量O点到甲乙停止位置的滑行距离OM和ON，记为s1、s2。
(1)若甲乙硬币碰撞前后系统动量守恒，则应满足的表达式为 。（用s0、s1、s2、m1和m2表示）
(2)关于该实验需要满足的条件是（ ）
A．OA段必须保持水平
B．倾斜段纸板与水平段纸板必须由同一种材料制成
C．甲硬币必须从斜面同一位置释放
七、考点七：利用橡皮泥粘连验证
11．用如图甲所示的实验装置来验证动量守恒定律。水平导轨上有两个静止的小车A和B，小车A上方装有遮光片，前方固定撞针，小车B后方固定橡皮泥。轻推小车A，小车A经过光电门1后，与静止的小车B碰撞，然后两小车一起再通过光电门2。光电门会分别记录下遮光片的挡光时间。
(1)用游标卡尺测量遮光片的宽度，结果如图乙所示，则遮光片的宽度 。
(2)若某次实验中，光电门1记录的遮光时间，光电门2记录的遮光时间，小车（含撞针、遮光片）的总质量为，小车（含橡皮泥）的总质量为，则两小车碰撞前，小车通过光电门1的速度大小 ，碰撞后两小车的总动量大小 。（结果均保留两位有效数字）
(3)为了减小实验误差，两个光电门放置的位置应适当 （选填“靠近”或“远离”）一些。
八、考点八：在太空中验证
12．如图（a）是第四次天宫课堂中的小球斜碰大球实验，为了验证天宫课堂斜碰实验中动量是否守恒，利用仿真物理实验室软件模拟航天员的数据，结合频闪照相和留下质心轨迹的技术得到如图（b）的结果，并且把每一大格的横纵坐标分成了更精细的10等分。为方便精密计算球的位置，设水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向，网格每大格为，初状态，质量为，半径为的大钢球静止在质心坐标处，小钢球质量，从质心坐标处沿x轴负方向向大球运动，从小球出发开始，每隔记录两球位置。
(1)碰撞前小球的动量为 （保留2位有效位数）。
(2)若碰撞后小球的水平、竖直分速度分别为，大球的水平、竖直分速度分别为，要用计算法验证碰撞过程中动量是否守恒，可验证两个公式，即： 和0= （用已知量和测定量的字母表示）。
(3)请你再提供一种简略方法验证碰撞过程系统动量是否守恒： 。
(4)实验结果表明，在误差允许的范围内，碰撞过程中两球组成的系统动量 （填“守恒”或“不守恒”）。
年份
试卷
分值
难度
2024
山东卷
6分
★★☆
新课标卷
6分
★★☆
北京卷
10分
★★☆
2023
辽宁卷
8分
★★☆
2022
浙江1月卷
4分
★☆☆
重庆卷
9分
★★☆
天津卷
4分
★★☆
40.0
10.0
18.50
39.80
28.50
参考答案：
1． 调高
【详解】（3）[1]滑块通过两个光电门时，与光电门1、2相连的计时器测得的挡光时间分别为0.07s、0.06s，可知滑块在导轨上向右做加速运动，即导轨左高右低，则应将导轨右端调高。
（4）[2]滑块A碰前的速度为
碰后速度为
（5）[3]滑块B碰后的速度为
在实验误差允许范围内，若碰撞前后动量守恒，则有
联立可得
2． 水平 小于
【详解】（1）[1]导轨上的滑块能在短时间内保持静止，证明气垫导轨调至水平；
（2）[2]应该用质量较小的滑块碰撞质量较大的滑块，碰后运动方向相反；
（4）[1][2]碰后A、B的速度分别为
= ，=
3．(1)CD
(2)BD
(3) 非弹性
【详解】（1）由于两小球做平抛运动下落高度相同，所用时间相等，所以可以用小球做平抛运动的水平位移代替小球抛出时的速度，所以实验中除了测两小球的质量外，还需测量碰撞前入射球平抛运动的水平距离、碰撞后两球各自平抛运动的水平距离。
故选CD。
（2）AB．为了保证每次碰撞前瞬间入射小球的速度相同，每次应从同一位置静止释放入射球，但斜槽末端不需要光滑，故A错误，B正确；
C．为了保证两小球发生对心正碰，两球直径需要相同，故C错误；
D．为了保证碰撞后入射小球不反弹，入射球质量应大于靶球质量，故D正确。
故选BD。
（3）[1]设碰撞前瞬间入射球的速度为，碰撞后瞬间入射球和被碰球的速度分别为、，根据动量守恒可得
由于两小球做平抛运动下落高度相同，所用时间相等，则有
，，
联立可得需要验证的表达式为
[2]若碰撞为弹性碰撞，则有
结合
联立可得
即有
由实验记录数据可得
可知此次碰撞为非弹性碰撞。
4．(1)B
(2)
(3)CD
(4)
【详解】（1）本实验由于两小球下落高度相等，所用时间相等，所用不需要用秒表测时间；不需要用游标卡尺测小球的直径；需要用刻度尺测量两小球的水平位移。
故选B。
（2）若碰撞过程中没有机械能损失，为了保证在碰撞过程中a球不反弹，a、b两球的质量间的关系是：。
（3）a、b两球碰撞前后做平抛运动，则有
，
可得
设碰撞前瞬间小球的速度为，碰撞后瞬间小球a、b的速度分别为、，则有
，，
根据动量守恒可得
联立可得
则完成本实验，必须测量的物理量有：a球和b球的质量、，O点到、、三点的距离、、。
故选CD。
（4）根据（3）问分析可知在实验误差允许的范围内，若碰撞过程动量守恒，其关系式应为
5．(1) 等于 等于
(2)
【详解】（1）[1][2]保证正碰使碰撞前后小球速度均沿水平方向，且保证小球1两次下滑到斜槽末端时的速度大小相等，故小球直径应相等，两次释放高度也要相等；
（2）小球飞离斜槽后做平抛运动，有
解得
由动量守恒定律有
即
化简可得
6． <
【详解】（2）[1]实验中需要碰撞后小球a反弹，所以小球a、b的质量大小需满足