南方新高考高考物理大一轮复习 实验十二 验证动量守恒定律课件.ppt

实验十二 验证动量守恒定律 实验准备 实验目的 1 验证一维碰撞中的动量守恒定律 2 探究一维弹性碰撞的特点 实验原理 在一维碰撞中 测出物体的质量m1 m2和碰撞前后物体的速度v1 v2和v1 v2 算出碰撞前的动量p m1v1 m2v2及碰撞后的动量p m1v1 m2v2 即可验证碰撞前后动量是否守恒 实验器材 斜槽 复写纸 圆规 大小相等质量不同的小钢球两个 重锤线 白纸 天平 刻度尺 铅笔等 实验过程 实验步骤 水平 水平高度 1 先用天平测出小钢球的质量m1 m2 2 按要求安装好实验装置 将斜槽固定在桌边 使斜槽的末端切线 把被碰小球放在斜槽前边的小支柱上 调节实验装置使两小球碰撞时处于同一 确保碰撞后的速度方向水平 3 在地上铺一张白纸 白纸上铺放 复写纸 4 在白纸上记下重锤线所指的位置o 它表示入射小球m1 碰撞前球心的竖直投影位置 被碰小球 同一高度 5 先不放 让入射小球从斜槽上 处滚下 重复10次 用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面 圆心就是入射小球不碰撞时的落地点平均位置p 6 把 放在小支柱上 让入射小球从同一高度滚下 使它们发生正碰 重复10次 同理求出入射小球落点的 平均位置m和被碰小球落点的平均位置n 被碰小球 7 过o n在纸上作一直线 取oo 2r o 就是被碰小球碰撞时球心的竖直投影位置 如图s12 1所示 图s12 1 8 用刻度尺测出线段om op o n的长度 把两小球的质量和相应的水平位移数值代入 看等式是否成立 m1 op m1 om m2 o n 9 整理实验器材放回原处 实验分析 注意事项 1 前提条件 碰撞的两小球应保证 水平 和 正碰 2 斜槽末端必须水平 入射小球每次都必须从斜槽上同一高度静止滚下 白纸铺好后不能移动 入射小球的质量应大于被碰小球的质量 即m1 m2 且r1 r2 r 误差分析 1 系统误差 主要来源于装置本身是否符合要求 即碰撞 是否为一维碰撞 2 偶然误差 主要来源于质量m和平抛的水平距离的测量 基础检测 某同学用如图s12 2所示的装置做 验证动量守恒定律 的实验 先将a球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压痕 重复10次 再把同样大小的b球放在斜槽轨道末水平段的最右端上 让a球仍从固定点由静止开始滚下 和b球相碰后 两球分别落在记录纸的不同位置处 重复10次 图s12 2 1 本实验必须测量的物理量有 a 斜槽轨道末端距水平地面的高度hb 小球a b的质量ma mbc 小球a b的半径r d 小球a b离开斜槽轨道末端后平抛飞行的时间t e 记录纸上o点到a b c各点的距离oa ob ocf a球的固定释放点到斜槽轨道末端水平部分间的高度差h 2 放上被碰小球b 两球 ma mb 相碰后 小球a b的落地点依次是图中水平面上的 点和 点 3 某同学在做实验时 测量了过程中的各个物理量 利用上述数据验证碰撞中的动量守恒 那么判断的依据是看 和 在误差允许范围内是否相等 解析 1 b点是不发生碰撞时a球的落地点 a点是发生碰撞后a球的落地点 c点是碰后b球的落地点 设小球a运动到轨道末端时的速度大小为vb 与球b发生碰撞后的瞬时速度大小为va 碰后b球的速度大小为vc 本实验就是要验证关系式mavb mava mbvc是否成立 因为小球做平抛运动的高度相 同 下落时间相同 它们在水平方向上位移与水平方向上的速否成立 b e正确 2 两球碰撞后 a球在水平方向上的分速度较小 下落时间相同时 落地时的水平位移也较小 所以小球a b的落地点依次是图中水平面上的a点和c点 考点1 实验操作和原理的考查 重点归纳 1 实验常考的操作 调节斜槽末端水平 把一小球放在斜槽末端 若小球不滚动 则已经水平 入射小球每次都要从同一高度由静止释放 保证碰撞前的速度不变 小球平均落点的确定 用一个最小的圆把小球的所有落点圈在一起 这个圆的圆心就是小球的平均落点 2 实验原理 图s12 3 质量分别为m1和m2的两小球发生正碰 碰前m1运动 m2静止 根据动量守恒定律应有 m1v1 m1v1 m2v2 各小球在同一高度做平抛运动 运动时间相等 则动量 守恒时有 典例剖析 例题 如图s12 4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 图s12 4 1 实验中 直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的 但是 可以通过仅测量 间接地解决这个问题 a 小球开始时的释放高度hb 小球抛出点距地面的高度hc 小球做平抛运动的射程 2 图中o点是小球抛出点在地面上的垂直投影 实验时 先让入射球m1多次从斜轨上s位置静止释放 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 再将入射球m1从斜轨上s位置静止释放 与小球m2相碰 并多次重复 接下来要完成的必要步骤是 a 用天平测量两个小球的质量m1 m2b 测量小球m1开始时的释放高度hc 测量抛出点距地面的高度h d 分别找到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 若碰撞是弹性碰撞 那么还应满足的表达式为 用 2 中测量的量表示 图s12 5 5 有同学认为 在上述实验中仅更换两个小球的材质 其他条件不变 可以使被碰小球做平抛运动的射程增大 请你用 4 中已知的数据 分析和计算出被碰小球m2平抛运动射程on的最大值为 cm 解析 1 在落地高度不变的情况下 水平位移就能反映平抛初速度的大小 所以仅测量小球做平抛运动的射程就能间接测量速度 2 测量平均落点的位置 找到平抛的水平位移 因此步骤中d e是必须的 而且d先e后 至于用天平测质量先后均可 答案 1 c 2 ade 5 76 80 考点练透 1 在 验证动量守恒定律 的实验中 某同学用如图s12 6 所示的装置进行如下的实验操作 图s12 6 先将斜槽轨道的末端调整水平 在一块平木板表面钉上白纸和复写纸 并将该木板竖直立于槽口处 使小球a从斜槽上紧靠挡板处由静止释放 小球撞到木板并在白纸上留下痕迹o 将木板向远离槽口平移一段距离 再使小球a从斜槽上紧靠挡板处由静止释放 小球撞到木板上得到痕迹b 然后把半径相同的小球b静止放在斜槽水平末端 小球a仍从原来挡板处由静止释放 与小球b相碰后 两球撞在木板上得到痕迹a和c 用天平测量a b的质量分别为ma mb 用刻度尺测量纸上o点到a b c三点的竖直距离分别为y1 y2 y3 1 小球a与小球b相碰后 两球撞在木板上得到痕迹a和c 其中小球a撞在木板上的 填 a 或 c 点 2 用本实验中所测量的量来验证两球碰撞过程动量守恒 其表达式为 仅用ma mb y1 y2 y3表示 解析 1 碰后va vb 所以a撞在木板上的c点 考点2 重点归纳实验方案一 其他验证方案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 改变滑块的质量 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 器说明书上给出 也可直接测量 t为数字计时器显示的滑块 挡光片 经过光电门的时间 2 验证的表达式 m1v1 m2v2 m1v1 m2v2 实验方案二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 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 m1v1 m2v2 实验方案三 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 橡皮泥等 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 把两小车连接成一体运动 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 2 验证的表达式 m1v1 m2v2 m1 m2 v 典例剖析 例2 2014年新课标全国卷 现利用如图s12 7所示的装置验证动量守恒定律 在图中 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 图s12 7 实验测得滑块a的质量m1 0 310kg 滑块b的质量m2 0 108kg 遮光片的宽度d 1 00cm 打点计时器所用交流电的频率f 50 0hz 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 tb 3 500ms 碰撞前后打出的纸带如图s12 8所示 图s12 8 最大为5 本实验是否在误差范围内验证了动量守恒定律 请写出运算过程 解 按定义 滑块运动的瞬时速度大小v为 式中 s为滑块在很短时间 t内走过的路程设纸带上相邻两点的时间间隔为 ta 则 ta可视为很短 设滑块a在碰撞前 后瞬时速度大小分别为v0 v1 将 式和图给实验数据代入 式可得v0 2 00m sv1 0 970m s 设滑块b在碰撞后的速度大小为v2 由 式有 v2 d tb 代入题给实验数据得v2 2 86m s 设两滑块在碰撞前 后的动量分别为p和p 则p m1v0 p m1v1 m2v2 两滑块在碰撞前 后总动量相对误差的绝对值为 联立 式并代入有关数据 得 p 1 7 5 因此 本实验在允许的误差范围内验证了动量守恒定律 考点练透 2 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拉扣 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s12 9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 图s12 9 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s12 10所示 图s12 10 1 由图分析可知 滑块a与滑块b碰撞发生的位置 a 在p5 p6之间b 在p6处 c 在p6 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 a a