高考物理一轮复习实验课课件8验证动量守恒定律(含解析)

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一、实验目的验证动量守恒定律。二、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',看碰撞前后动量是否守恒。三、实验器材方案一: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。方案二:带细绳的摆球(相同的两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。方案三:光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥。方案四:斜槽、大小相等质量不同的小球两个、重垂线一条、白纸、复写纸、天平、刻度尺、圆规、三角板。
四、实验步骤1.方案一:利用气垫导轨验证一维碰撞中的动量守恒(1)测质量:用天平测出滑块的质量。(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)。(4)验证:一维碰撞中的动量守恒。
2.方案二:利用摆球验证一维碰撞中的动量守恒(1)测质量:用天平测出两小球的质量m1、m2。(2)安装:把两个等大的摆球用等长悬线悬挂起来。(3)实验:一个摆球静止,拉起另一个摆球,放下时它们相碰。(4)测速度:测量摆球被拉起的角度,从而算出碰撞前对应摆球的速度;测量碰撞后摆球摆起的角度,从而算出碰撞后对应摆球的速度。(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。
3.方案三:利用光滑桌面上两小车相碰验证一维碰撞中的动量守恒(1)测质量:用天平测出两小车的质量m1、m2。(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的限位孔连在小车的后面,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,把两小车连接在一起共同运动。 (4)测速度:通过纸带上两计数点间的距离及时间由 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。
4.方案四:利用平抛运动规律验证动量守恒定律(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)按要求安装好实验装置,并调整斜槽使斜槽末端切线水平。
(3)白纸在下,复写纸在上,在适当位置铺放好。记下重垂线所指的位置O。(4)不放被碰小球,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)把被碰小球放在斜槽末端,让入射小球从斜槽上同一高度自由滚下,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和被碰小球落点的平均位置N。(6)测量OP、OM、ON的长度,在误差允许的范围内,看m1·OP=m1·OM+m2·ON是否成立。(7)整理好实验器材并放回原处。(8)实验结论:在误差允许的范围内,讨论碰撞系统的动量是否守恒。
五、数据处理(1)速度的测量
(2)验证的表达式方案一、二、三:m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'。方案四:m1·OP=m1·OM+m2·ON。
六、误差分析1.系统误差:主要来源于装置本身是否符合要求。(1)碰撞是否为一维碰撞。(2)实验是否满足动量守恒的条件,如气垫导轨是否水平等。2.偶然误差:主要来源于质量m和速度v的测量。
七、注意事项1.碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。2.若利用气垫导轨进行实验,调整气垫导轨时,注意利用水平仪确保导轨水平。3.若利用摆球进行实验,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,将小球拉起后,两条摆线应在同一竖直平面内。4.若利用长木板进行实验,可在长木板下垫一个小木片以平衡摩擦力。5.若利用斜槽进行实验,入射球质量m1要大于被碰球质量m2,即m1>m2,防止碰后m1被反弹,且两球半径r1=r2=r。
实验原理与操作例1某同学用如图甲所示装置来验证动量守恒定律,实验时先让小球a从斜槽轨道上某固定点处由静止开始滚下,在水平地面上的记录纸上留下痕迹,重复10次。然后再把小球b静置在斜槽轨道末端,让小球a仍从原固定点由静止开始滚下,和小球b相碰后,两球分别落在记录纸的不同位置处,重复10次。回答下列问题:
(1)在安装实验器材时斜槽的末端应　。 (2)小球a、b质量ma、mb的大小关系应满足ma　　mb,两球的半径应满足ra　　rb。(均选填“>”“<”或“=”) (3)本实验中小球平均落地点的位置距O点的距离如图乙所示,小球a、b碰后的平均落地点依次是图乙中的　　　　点和　　　　点。 (4)在本实验中,验证动量守恒的式子是下列选项中的　　　　。
解析 (1)小球离开轨道后应做平抛运动,所以在安装实验器材时斜槽的末端必须保持水平,才能使小球做平抛运动。(2)为防止在碰撞过程中入射小球被反弹,入射小球a的质量ma应该大于被碰小球b的质量mb。为保证两个小球的碰撞是对心碰撞,两个小球的半径应相等。(3)由题图甲所示装置可知,小球a和小球b相碰后,根据动量守恒和能量守恒可知小球b的速度大于小球a的速度。由此可判断碰后小球a、b的落点位置分别为A、C点。(4)小球下落高度一样,所以在空中的运动时间t相等,若碰撞过程满足动量守恒,则应有mav0=mava+mbvb,两边同乘以时间t可得mav0t=mavat+mbvbt,即有 ,故选项B正确。答案 (1)保持水平　(2)>　=　(3)A　C　(4)B
实验数据处理与误差分析例2下图是用来验证动量守恒的实验装置,弹性球1用细线悬挂于O点,O点下方桌子的边沿有一竖直立柱。实验时,调节悬点,使弹性球1静止时恰与立柱上的球2接触且两球等高。将球1拉到A点,并使之静止,同时把球2放在立柱上。释放球1,当它摆到悬点正下方时与球2发生对心碰撞,碰后球1向左最远可摆到B点,球2落到水平地面上的C点。测出有关数据即可验证1、2两球碰撞时动量守恒。现已测出A点离水平桌面的距离为a、B点离水平桌面的距离为b,C点与桌子边沿间的水平距离为c。
(1)还需要测量的量是　　　 　、　　 和　　　　　　。 (2)根据测量的数据,该实验中动量守恒的表达式为　　　　　　。(忽略小球的大小) 
解析 (1)要验证动量守恒,必须知道两球碰撞前后的动量变化,根据弹性球1碰撞前后的高度a和b,由机械能守恒可以求出碰撞前后的速度,故只要再测量弹性球1的质量m1,就能求出弹性球1的动量变化。根据平抛运动的规律只要测出立柱高h和桌面高h0就可以求出弹性球2碰撞前后的速度变化,故只要测量弹性球2的质量和立柱高h、桌面高h0就能求出弹性球2的动量变化。(2)根据(1)的解析可以写出动量守恒的方程
答案 (1)弹性球1、2的质量m1、m2　立柱高h　桌面高h0
实验探究拓展本实验的创新点是在实验器材方面使用气垫导轨。两个滑块均在气垫导轨上运动,摩擦阻力可忽略不计,两滑块碰撞前后的速度由纸带得出,进而验证动量守恒,或结合能量守恒进行验证。
例3某同学利用电火花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,空气会从小孔中喷出,使滑块稳定地悬浮在导轨上,这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差。
(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把电火花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橡皮绳;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; ⑦取下纸带,重复步骤④⑤⑥,选出理想的纸带如图乙所示;⑧测得滑块1的质量为310 g,滑块2(包括橡皮泥)的质量为205 g。
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)中两结果不完全相等的主要原因是　　　　　。