2022届新高考一轮复习人教版 第六章 实验八　验证动量守恒定律 课件（54张）

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一、实验目的1．会用实验装置测速度或用其他物理量表示物体的速度大小。2．验证在系统不受外力的作用下，系统内物体相互作用时总动量守恒。
[基本实验要求]1．实验原理在一维碰撞中，测出物体的质量和碰撞前、后物体的速度，算出碰撞前的动量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的动量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前后的动量在误差允许范围内是否相等。2．实验器材斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸、圆规、刻度尺、重垂线等。
3．实验步骤(1)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)按照实验原理图甲安装实验装置。调整、固定斜槽使斜槽末端水平。(3)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)不放被撞小球，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小球所有的落点都圈在里面。圆心P就是小球落点的平均位置。
3．误差分析(1)系统误差①斜槽末端不水平。②入射小球与被碰小球是否为一维正碰。(2)偶然误差①主要来源于质量和速度的测量及入射小球不从同一高度由静止释放。②小球落点的确定。
命题点一　教材原型实验　 实验原理与操作[典例1]　用如图所示的装置可以验证动量守恒定律。
(1)实验中质量为m1的入射小球和质量为m2的被碰小球的质量关系是m1________m2。(选填“大于”“等于”或“小于”)[解析]　(1)为防止碰撞后入射小球反弹，实验中质量为m1的入射小球和质量为m2的被碰小球的质量关系是m1大于m2。[答案]　(1)大于
(2)图中O点是小球抛出点在地面上的投影。实验时，先让入射小球m1多次从斜轨上S位置由静止释放，找到其平均落地点的位置P，测量平抛射程OP。然后，把被碰小球m2静置于轨道的水平部分，再将入射小球m1从斜轨上S位置由静止释放，与小球m2相碰，并多次重复本操作。接下来要完成的必要步骤是________。(填选项前的字母)A．用天平测量两个小球的质量m1、m2B．测量小球m1开始释放的高度hC．测量抛出点距地面的高度HD．分别通过画最小的圆找到m1、m2相碰后平均落地点的位置M、NE．测量平抛射程OM、ON(3)若两球相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为_________[用(2)中测量的量表示]。
[解析] (2)如果碰撞过程系统动量守恒，以水平向右为正方向，由动量守恒定律得m1v1＝m1v2＋m2v3，小球离开轨道后做平抛运动，它们抛出点的高度相等，在空中的运动时间t相等，上式两边同时乘以t得m1v1t＝m1v2t＋m2v3t，得m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，所以实验需要测量：两球的质量、两球落点的水平位移，故选A、D、E。(3)由(2)可知，实验需要验证的表达式为：m1OP＝m1OM＋m2ON。[答案]　(2)ADE (3)m1·OP＝m1·OM＋m2·ON
规律总结实验中的“两保证、三注意”(1)碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。(2)斜槽小球碰撞三注意：①入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放；②选质量较大的小球作为入射小球；③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。
实验数据处理与分析[典例2]　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。
[答案]　(1)14　2.9　1(或1.01)
[答案]　 (2)76.8
易错警示数据处理与分析的3点注意(1)数据处理运用转换法，即将测量小球做平抛运动的初速度转换成测平抛运动的水平位移；由于本实验仅限于研究系统在碰撞前后动量的关系，所以各物理量的单位不必统一使用国际单位制的单位。(2)设计方案时应保证碰撞为一维碰撞，且尽量满足动量守恒的条件。(3)采取多次测量求平均值的方法减小偶然误差。　
命题点二　实验创新设计　实验器材创新[典例3]　现利用图(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，光电计时器(未完全画出)可以记录遮光片通过光电门的时间。
实验测得滑块A的质量m1＝0.310 kg，滑块B的质量m2＝0.108 kg，遮光片的宽度d＝1.00 cm；打点计时器所用交流电的频率f＝50.0 Hz。将光电门固定在滑块B的右侧，启动打点计时器，给滑块A一向右的初速度，使它与B相碰。碰后光电计时器显示的时间为ΔtB＝3.500 ms，碰撞前后打出的纸带如图(b)所示。
创新评价本题的创新点体现在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。在数据处理与分析环节，利用相对误差评价实验结果。
　实验设计创新[典例4]　(2021·河南郑州六校联考)为了验证碰撞中的动量守恒和检验两个小球的碰撞是否为弹性碰撞，某同学选取了两个体积相同、质量不相等的小球，按下述步骤做了如下实验：①用天平测出两个小球的质量(分别为m1和m2，且m1>m2)。②如图所示，安装好实验装置。将斜槽AB固定在桌边，使槽的末端处的切线水平，将一斜面BC连接在斜槽末端。
③先不放小球m2，让小球m1从斜槽顶端A处由静止开始滚下，记下小球在斜面上的落点位置。④将小球m2放在斜槽末端边缘处，让小球m1从斜槽顶端A处由静止开始滚下，使它们发生碰撞，记下小球m1和m2在斜面上的落点位置。⑤用毫米刻度尺量出各个落点位置到斜槽末端点B的距离，图中D、E、F点是该同学记下的小球在斜面上的几个落点位置，到B点的距离分别为LD、LE、LF。
(1)小球m1和m2发生碰撞后，m1的落点是图中的________点，m2的落点是图中的________点。(2)用测得的物理量来表示，只要满足关系式________________，则说明碰撞中动量守恒。(3)用测得的物理量来表示，只要再满足关系式______________，则说明两小球的碰撞是弹性碰撞。
创新评价本实验利用斜面上的平抛运动获得两球碰后的速度，根据平抛斜面模型采用分解位移找数学关系分析实验数据。　
　实验目的创新[典例5]　如图甲所示，冲击摆是一个用细线悬挂着的摆块，弹丸击中摆块时陷入摆块内，使摆块摆至某一高度，利用这种装置可以测出弹丸的发射速度。
实验步骤如下：①用天平测出弹丸的质量m和摆块的质量M；②将实验装置水平放在桌子上，调节摆绳的长度，使弹丸恰好能射入摆块内，并使摆块摆动平稳，同时用刻度尺测出摆长；③让摆块静止在平衡位置，扳动弹簧枪的扳机，把弹丸射入摆块内，摆块和弹丸推动指针一起摆动，记下指针的最大偏角；④多次重复步骤③，记录指针最大偏角的平均值；
⑤换不同挡位测量，并将结果填入下表。
完成下列填空：(1)现测得高速挡指针最大偏角如图乙所示，请将表中数据补充完整：θ＝________。(2)用上述测量的物理量表示发射弹丸的速度v＝________。(已知重力加速度为g)(3)为减小实验误差，每次实验前，并不是将指针置于竖直方向的零刻度处，常常需要试射并记下各挡对应的最大指针偏角，每次正式射击前，应预置指针，使其偏角略小于该挡的最大偏角。请写出这样做的一个理由：________________________________________________。
(3)以较大的速度碰撞指针，会损失较多的机械能(其他理由，如摆块在推动指针偏转时要克服摩擦力做功、指针摆动较长的距离损失的机械能较多等，只要合理即可)。
创新评价本实验在碰撞过程动量守恒的基础上，利用动量守恒定律和机械能守恒定律计算弹丸的发射速度。体现了物理知识和物理实验的创新性和综合性。　
1．在实验室里为了验证动量守恒定律，一般采用如图甲、乙所示的两种装置。
(1)若入射小球质量为m1，半径为r1；被碰小球质量为m2，半径为r2，则________。A．m1>m2，r1>r2B．m1>m2，r1m2，r1＝r2D．m1m2；为使入射小球与被碰小球发生对心碰撞，要求两小球半径相同，故C正确。答案：(1)C
(2)若采用图乙所示装置进行实验，以下所提供的测量工具中必需的是________。A．直尺　　B．游标卡尺　　C．天平 D．弹簧测力计　　　E．秒表(3)设入射小球的质量为m1，被碰小球的质量为m2，则在用图甲所示装置进行实验时(P为碰前入射小球落点的平均位置)，所得“验证动量守恒定律”的关系式为________________。(用装置图中的字母表示)
解析：(2)设入射小球为a，被碰小球为b，a球碰前的速度为v1，a、b相碰后的速度分别为v1′、v2′。由于两球都从同一高度做平抛运动，当以运动时间为一个计时单位时，可以用它们平抛的水平位移表示碰撞前后的速度。因此，需验证的动量守恒关系m1v1＝m1v1′＋m2v2′可表示为m1x1＝m1x1′＋m2x2′。所以需要直尺、天平，而不需要弹簧测力计、秒表。由于题中两个小球都可认为是从槽口开始做平抛运动的，两球的半径不必测量，故不需要游标卡尺。(3)得出验证动量守恒定律的关系式应为m1·OP＝m1·OM＋m2·O′N。答案： (2)AC　(3)m1·OP＝m1·OM＋m2·O′N
2．(2021·安徽六安一中高三检测)某同学设计了一个“验证动量守恒定律”的实验，实验装置如图甲：在粗糙的长木板上，小车A的前端装上撞针，给小车A某一初速度，使之向左匀速运动，并与原来静止在前方的小车B(后端粘有橡皮泥，橡皮泥质量可忽略不计)相碰并粘成一体，继续匀速运动。在小车A后连着纸带，纸带穿过电磁打点计时器，电磁打点计时器电源频率为50 Hz。
答案：(1)BC　(2)0.6　2
3．(2021·五省优创名校高三联考)某同学利用气垫导轨验证动量守恒定律，同时测量弹簧的弹性势能，实验装置如图甲所示，两滑块A、B上各固定一相同窄片。部分实验步骤如下：Ⅰ.用螺旋测微器测量窄片的宽度d；Ⅱ.将气垫导轨调成水平；Ⅲ.将A、B用细线绑住，在A、B间放入一个被压缩的轻小弹簧；Ⅳ.烧断细线，记录A、B上的窄片分别通过光电门C、D的挡光时间t1、t2。
(1)若测量窄片的宽度d时，螺旋测微器的示数如图乙所示，则d＝________mm。(2)实验中，还应测量的物理量是________。A．滑块A的质量m1以及滑块B的质量m2B．烧断细线后滑块A、B运动到光电门C、D的时间tA、tBC．烧断细线后滑块A、B运动到光电门C、D的路程x1、x2(3)验证动量守恒定律的表达式是________________；烧断细线前弹簧的弹性势能Ep＝________。(均用题中相关物理量的字母表示)
4．(2021·江西新建二中高三测试)某实验小组利用如图甲所示的实验装置验证动量守恒定律。实验的主要步骤如下：
(1)用游标卡尺测量小球A、B的直径d，其示数均如图乙所示，则直径d＝________mm，用天平测得球A、B的质量分别为m1、m2。(2)用两条细线分别将球A、B悬挂于同一水平高度，且自然下垂时两球恰好相切，球心位于同一水平线上。(3)将球A向左拉起使其悬线与竖直方向的夹角为α时由静止释放，与球B碰撞后，测得球A向左摆到最高点时其悬线与竖直方向的夹角为θ1，球B向右摆到最高点时其悬线与竖直方向的夹角为θ2。(4)若两球碰撞前后的动量守恒，则其表达式为_________；若碰撞是弹性碰撞，则还应满足的表达式为__________。(用测量的物理量表示)