2025届高三一轮复习物理课件（人教版新高考新教材）实验8　验证动量守恒定律

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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、实验方案、器材、步骤及数据处理实验方案1.利用气垫导轨完成一维碰撞实验[实验器材]气垫导轨、数字计时器、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。
实验方案2.利用等长悬线悬挂等大小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悬线悬挂起来。3.实验:一个小球静止,拉起另一个小球,放下后它们相碰。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。
实验方案3.在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验[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、刻度尺。
实验方案4.利用斜槽上滚下的小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、刻度尺、圆规等。
[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: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·lOP=m1·lOM+m2·lON,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·lOP=m1·lOM+m2·lON。
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.探究结论:寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不变。五、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。(2)实验是否满足动量守恒的条件,如气垫导轨是否水平,两球是否等大,用长木板实验时是否平衡掉摩擦力。2.偶然误差:主要来源于质量m和速度v的测量。
【例1】如图甲所示,某实验小组采用常规方案验证动量守恒定律。实验完成后,该小组又把水平木板改为竖直木板再次实验,如图乙所示。图中小球半径均相同、质量均已知,且mA>mB,B' 与B在同一水平线上。
(1)若采用图甲所示的装置,实验中还必须测量的物理量是__________________________。 (2)(多选)若采用图乙所示的装置,下列说法正确的是____________。 A.必需测量B到N、P和M的距离B.必需测量B'N、B'P和B'M的距离
OM、OP和ON的距离
解析:(1)如果采用题图甲所示装置,由于小球平抛运动的时间相等,故可以用水平位移代替速度进行验证,故需要测量OM、OP和ON的距离。(2)采用题图乙所示装置时,利用水平距离相等,根据下落的高度可确定飞行时间,从而根据高度表示出对应的水平速度,故需测量B'N、B'P和B'M的距离,B正确。小球碰后做平抛运动,速度越大,下落高度越小。单独一个小球下落时,落点为P;两球相碰后,落点分别为M和N。根据动量守恒定律有mAv=mAv1+mBv2,
【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发生正碰,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) 
弹性球1、2的质量m1、m2
【例3】 为了验证动量守恒定律(探究碰撞中的不变量),某同学选取了两个材质相同、体积不等的立方体滑块A和B,按下述步骤进行实验。
步骤1:在A、B的相撞面分别装上尼龙搭扣,以便二者相撞以后能够立刻结为整体。步骤2:安装好实验装置如图甲所示,铝质轨道槽的左端是倾斜槽,右端是长直水平槽,倾斜槽和水平槽由一小段圆弧连接,轨道槽被固定在水平桌面上,在轨道槽的侧面与轨道等高且适当远处装一台数码频闪照相机。步骤3:让滑块B静置于水平槽的某处,滑块A从斜槽某处由静止释放,同时开始频闪拍摄,直到A、B停止运动,得到一幅多次曝光的数码照片。步骤4:多次重复步骤3,得到多幅照片,挑出其中最理想的一幅,打印出来,将刻度尺紧靠照片放置,如图乙所示。
(1)由图分析可知,滑块A与滑块B碰撞发生的位置在____________。 ①P5、P6之间　②P6处　③P6、P7之间(2)为了探究碰撞中动量是否守恒,需要直接测量或读取的物理量是____________。 ①A、B两个滑块的质量m1和m2②滑块A释放时距桌面的高度③频闪照相的周期④照片尺寸和实际尺寸的比例⑤照片上测得的s45、s56和s67、s78⑥照片上测得的s34、s45、s56和s67、s78、s89⑦滑块与桌面间的动摩擦因数写出验证动量守恒的表达式_________________________________。 
m1(2s56+s45-s34)=(m1+m2)(2s67+s78-s89)
(3)请你写出一条有利于提高实验准确度或改进实验原理的建议: ______________________________。 
提高实验准确度或改进实验原理的建议如下。①使用更平整的轨道槽。轨道要平整,防止各段摩擦力不同,滑块做非匀变速运动。②在足够成像的前提下,缩短频闪照相每次曝光的时间。碰撞时间很短,缩短频闪照相每次曝光的时间,使滑块碰撞位置拍摄更清晰、准确。③适当增大相机和轨道槽的距离。相机和轨道槽的距离较小时,镜头拍摄引起的距离误差增大,所以应适当增大相机和轨道槽的距离。④将轨道的一端垫起少许,平衡阻力,使得滑块碰撞前后都做匀速运动。
解析:(1)由题图甲可知P6之前相邻两段之间距离的差值都相等,说明A在P6位置之前一直做匀减速直线运动,故A、B相撞的位置在P6处,故②正确。
1.用如图甲所示装置结合频闪照相机(频闪照相周期一定)拍摄的照片来验证动量守恒定律,实验步骤如下:①用天平测出A、B两个小球的质量mA和mB;②安装好实验装置,使斜槽的末端所在的平面保持水平;③先不在斜槽的末端放小球B,让小球A从斜槽上位置P由静止开始释放,小球A离开斜槽后,频闪照相机连续拍摄小球A的两位置(如图乙所示);④将小球B放在斜槽的末端,让小球A仍从位置P处由静止开始释放,使它们碰撞,频闪照相机连续拍摄下两个小球的位置(如图丙所示);⑤测出所需要的物理量。
(1)为减小实验误差,步骤①中A、B两个小球的质量应满足mA_________ (选填“”)mB。 (2)在测量中,下列说法正确的是____________。 A.需要读取频闪照相的周期B.需要测量照片尺寸和实际尺寸的比例C.在照片上测得x0、xA和xBD.在照片上测得x0、y0、xA、yA、xB和yB(3)两球在碰撞过程中若动量守恒,用测量的物理量表述满足的方程:________________;若两球碰撞为弹性碰撞,还需满足方程:_____________。
mAx0=mAxA+mBxB
解析:(1)为了防止碰撞后入射球反弹,入射球的质量要大于被碰球的质量,即mA>mB。(2)设碰撞前A球的速度为v0,碰撞后A球的速度为vA,碰撞后B球的速度为vB,设频闪照相的时间间隔是T,两球碰撞过程系统动量守恒,以向右为正方向,由动量守恒定律得mAv0=mAvA+mBvB频闪照相的时间间隔T相等,则有mAv0T=mAvAT+mBvBTmAx0=mAxA+mBxB实验需要测量照片上的x0、xA、xB,故选C。
(3)由(2)可知,验证动量守恒的表达式为mAx0=mAxA+mBxB;如果碰撞为弹性碰撞,碰撞过程系统机械能守恒,由机械能守恒定律得
2.(2022·全国甲卷)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v1和v2,进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞。完成下列填空:
(1)调节导轨水平。(2)测得两滑块的质量分别为0.510 kg和0.304 kg。要使碰撞后两滑块运动方向相反,应选取质量为________ kg的滑块作为A。 (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s1与B的右端到右边挡板的距离s2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t1和t2。
(5)将B放回到碰撞前的位置,改变A的初速度大小,重复步骤(4)。多次测量的结果如下表所示。
(6)表中的k2=________ (保留三位有效数字)。