高中物理 16.1 实验 探究碰撞中的不变量课件 新人教版选修3-5

1、1实验：探究碰撞中的不变量 第十六章动量守恒定律 学习目标 知识探究典例精析达标检测 1.探究碰撞中的不变量之间的关系. 2.掌握在同一条直线上运动的两个物体碰撞前、后速度的测量方 法. 3.通过实验得到一维碰撞中的不变量表达式. 一、实验原理 知识探究 答案 1.两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后 运动.这种碰 撞叫做一维碰撞. 2.实验的基本思路：寻求不变量 在一维碰撞的情况下，令两个物体的质量分别为m1、m2，碰撞前的 速度分别为v1、v2，碰撞后的速度分别为v1、v2，如果速度的方 向与我们设定的坐标轴的正方向一致，取正值，反之则取负值.探究 以下关系式是否成立： 仍沿这条直线 1.

2、质量的测量：用 测量. 2.速度的测量： 方案1：利用气垫导轨结合光电门 (1)所需测量量：滑块(挡光板)的宽度x，滑块(挡光板)经过光电门 的时间t. (2)速度的计算：v . 答案 二、需要考虑的问题及实验方案 天平 x t 答案 (3)碰撞情景的实现 图1 如图1所示，利用弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥 设计各种类型的碰撞，利用 的方法改变碰撞物体的质 量. 在滑块上加重物 (4)器材：气垫导轨、光电计时器、滑块(带挡光板、两个)、弹簧片、细 绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥. 答案 方案2：利用摆球结合机械能守恒定律 (1)所需测量量：悬点至球心的距离l，摆球被拉起或

3、碰后的角度. (2)速度的计算：v . (3)碰撞情景的实现：如图2所示，用 的方法增 大两球碰撞时的能量损失. (4)器材：带细线的摆球(两套)、铁架台、量角器、 坐标纸、胶布. 图2 贴胶布 答案 方案3：利用“光滑”水平面结合打点计时器. (1)所需测量量：纸带上两计数点间的距离x，小车经过x所用的时间t. (2)速度的计算：v . (3)碰撞情景的实现：如图3所示，A运动，B静止，在两小车的碰撞端分 别装上撞针和橡皮泥，碰撞时撞针插入橡皮泥中，把两个小车连接成一 体. x t (4)器材：长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、撞针、橡皮泥. 图3 三、实验步骤 不论哪种方案，实验过程

4、均可按实验方案合理安排，参考步骤如下： 1.用天平测出相关质量. 2.安装实验装置. 3.使物体发生一维碰撞，测量或读出相关物理量，计算相关速度，填 入预先设计好的表格. 4.改变碰撞条件，重复实验. 5.通过数据分析处理，找出碰撞中的不变量. 6.整理器材，结束实验. 四、数据处理 将实验中测得的物理量填入下表，物体碰撞后运动的速度与原来的方向 相反时需要注意正负号. 碰撞前碰撞后 质量 m1m2m1m2 速度 v1v2v1v2 mv m1v1m2v2m1v1m2v2 mv2 其他 猜想 通过研究以上实验数据，找到碰撞前后的“不变量”. 1.保证两物体发生的是 ，即两个物体碰撞前后沿 . 2

5、.若利用气垫导轨进行实验，调整气垫导轨时要注意利用水平仪确保导 轨. 3.若利用摆球进行实验，两小球静放时 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面内. 4.记录数据时，应规定正方向，若速度的方向与规定的正方向相同，则 速度取 值，若与规定的正方向相反，则取 值. 5.碰撞有很多情形，我们寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变， 才符合要求. 五、注意事项 一维碰撞同一直线运动 水平 球心 正负 答案返回 例例1某同学利用气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的实验；气垫 导轨装置如图4所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、 光电门等组成. 一、利用气

6、垫导轨结合光电门的测量 典例精析 图4 (1)下面是实验的主要步骤： 安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平； 向气垫导轨通入压缩空气； 接通光电计时器； 把滑块2静止放在气垫导轨的中间； 滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳； 释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧固定弹簧的滑块2碰撞，碰后滑块1和滑 块2依次通过光电门2，两滑块通过光电门2后依次被制动； 读出滑块通过两个光电门的挡光时间分别为：滑块1通过光电门1的挡光时间t1 10.01 ms，通过光电门2的挡光时间t249.99 ms，滑块2通过光电门2的挡光时 间t38.35 ms； 测出挡光片的宽度d5 mm，测得滑块1(

7、包括撞针)的质量为m1300 g，滑块 2(包括弹簧)的质量为m2200 g； (2)数据处理与实验结论： 实验中气垫导轨的作用是： A._； B. _. 碰撞前滑块1的速度v1为_ m/s；碰撞后滑块1的速度v2为_ m/s；滑块2的速度v3为_ m/s；(结果保留两位有效数字) 在误差允许的范围内，通过本实验，同学们可以探究出哪些物理量是 不变的？通过对实验数据的分析说明理由.(至少回答2个不变量). a._； b._. 解析答案总结提升 解析解析(2)A.大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差. B.保证两个滑块的碰撞是一维的. 滑块1碰撞之前的速度v1 m/s0.50 m/s；

8、滑块1碰撞之后的速度 v2 m/s0.10 m/s； 滑块2碰撞之后的速度v3 m/s0.60 m/s； 解析答案总结提升 a.系统质量与速度的乘积之和不变. 原因：系统碰撞之前m1v10.15 kgm/s，系统碰撞之后m1v2m2v3 0.15 kgm/s. b.系统碰撞前后总动能不变. 原因：系统碰撞之前的总动能Ek1 m1v 0.037 5 J 系统碰撞之后的总动能 Ek2 m1v m2v 0.037 5 J 所以系统碰撞前后总动能相等. c.系统碰撞前后质量不变. 1 2 2 1 2 3 2 2 1 2 1 2 解析答案总结提升 答案答案(2)A.大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起

9、的误差 B.保证两个滑块的碰撞是一维的 0.500.100.60 a.系统质量与速度的乘积之和不变.b.系统碰撞前后总动能不变.c. 系统碰撞前后质量不变. 总结提升 总结提升 1.完成本实验的关键是碰撞前、后速度的测量，做题时要明确实验 的设计思想和速度测量的原理，同时注意单位和有效数字. 2.本实验碰撞前、后速度的大小，采用极限法v ，其中d为 遮光条的宽度. 3.实验误差存在的主要原因是摩擦力的存在.利用气垫导轨进行实 验，调节时注意利用水平仪，确保导轨水平. x t 二、利用摆球结合机械能守恒定律的探究 例例2某同学利用如图5所示的装置探究碰撞中的不变量. 图中两摆摆长相同，悬挂于同一

10、高度，A、B两摆球均很 小，质量之比为12.当两摆均处于自由静止状态时，其 侧面刚好接触.向左上方拉动B球使其摆线伸直并与竖直 方向成45角，然后将其由静止释放，结果观察到两摆 球粘在一起摆动，且最大摆角为30.此实验能否成功地 说明碰撞前后质量与速度的乘积是不变量？ 图5 解析答案归纳总结 解析解析设摆球A、B的质量分别为mA、mB，摆长为l，B球的初始高度 为h1，碰撞前B球的速度为vB.在不考虑摆线质量的情况下，根据题意 及机械能守恒定律得： h1l(1cos 45) mBgh1 碰撞前速度vB 所以碰撞前质量与速度的乘积为 mBvBmB 解析答案归纳总结 同理可得碰撞后共同速度 vAB

11、 碰撞后质量与速度的乘积为 (mAmB)vAB(mAmB) 所以 代入已知条件得 1 所以mBvB(mAmB)vAB 所以，此实验成功地说明了碰撞前后质量与速度的乘积是不变量. 答案答案能 归纳总结 碰撞前后摆球速度的大小可从摆线的摆角反映出来.根据机械能守 恒定律计算碰撞前后摆球的速度. 归纳总结 三、利用光滑水平面结合打点计时器的探究 例例3某同学设计了一个用打点计时器“探究碰撞中的不变量”的实验： 在小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速直线运动，然后与 原来静止在前方的小车B相碰，并粘合成一体继续做匀速直线运动，他 设计的装置如图6所示.在小车A后面连着纸带，电磁打点计时器的电源

12、 频率为50 Hz，长木板的一端下面垫着小木片用以平衡摩擦力. 图6 (1)若已得到打点纸带如图7所示，测得各计数点间距离并标在图上，A 为运动起始的第一点，则应选_段来计算小车A碰撞前的速度， 应选_段来计算A和B碰撞后的共同速度. 图7 解析答案 解析解析从分析纸带上打点的情况看，BC段既表示小车做匀速运动， 又表示小车有较大的速度，而AB段相同时间内间隔不一样，说明刚 开始运动速度不稳定，因此BC段较准确地描述了小车A碰撞前的运动 情况，故应选用BC段计算A碰撞前的速度； 从CD段打点情况看，小车的运动情况还没稳定，而在DE段小车运动 稳定，故应选DE段计算小车A和B碰撞后的共同速度.

13、答案答案BCDE (2)已测得小车A的质量m10.40 kg，小车B的质量m20.20 kg，由 以上的测量结果可得：碰撞前两车质量与速度乘积之和为_ kgm/s；碰撞后两车质量与速度乘积之和为_ kgm/s. 解析答案 解析解析小车A碰撞前速度 v1 m/s1.050 m/s； 小车A碰撞前的质量与速度乘积为 m1v10.401.050 kgm/s0.420 kgm/s. 碰撞后小车A、B有共同速度v m/s0.695 m/s 碰撞后两车的质量与速度乘积之和为 m1vm2v(m1m2)v(0.400.20)0.695 kgm/s0.417 kgm/s 答案答案0.4200.417 (3)从实

14、验数据的处理结果看，A、B碰撞过程中什么量不变？ 解析解析在误差允许的范围内，可以认为碰撞前后两车质量与速度的乘 积之和保持不变. 答案答案在误差允许的范围内，碰撞前后两车质量与速度的乘积之和不 变 解析答案总结提升返回 由于碰撞前后小车做匀速运动，而碰撞中小车的速度发生变化，故 应选取点迹均匀的两段进行测量，求取小车速度. 返回 总结提升 1.(多选)在利用气垫导轨探究碰撞中的不变量实验中，哪些因素可导 致实验误差() A.导轨安放不水平 B.小车上挡光板倾斜 C.两小车质量不相等 D.两小车碰后粘合在一起 达标检测 123 解析答案 解析解析导轨不水平，小车速度将受重力影响.挡光板倾斜会导

15、致挡光 板宽度不等于挡光阶段小车通过的位移，导致速度计算出现误差. AB 2.用如图8所示装置探究碰撞中的不变量，气垫导轨水平放置，挡光板 宽度为9.0 mm，两滑块被弹簧(图中未画出)弹开后，左侧滑块通过左 侧光电计时器，记录时间为0.040 s，右侧滑块通过右侧光电计时器， 记录时间为0.060 s，左侧滑块质量为100 g，左侧滑块的m1v1 _ gm/s，右侧滑块质量为150 g，两滑块质量与速度的乘积 的矢量和m1v1m2v2_ gm/s.(取向右为速度的正方向) 123 图8 解析答案 解析解析左侧滑块的速度为：v1 m/s0.225 m/s 则左侧滑块的m1v1100 g0.22

16、5 m/s22.5 gm/s 右侧滑块的速度为：v2 m/s0.15 m/s 则右侧滑块的m2v2150 g(0.15 m/s)22.5 gm/s 因m1v1与m2v2等大、反向，两滑块质量与速度的乘积的矢量和m1v1 m2v20 答案答案22.50 123 3.用如图9所示装置探究碰撞中的不变量，质量为mA 的钢球A用细线悬挂于O点，质量为mB的钢球B放在 小支柱N上，离地面高度为H，O点到A球球心距离为 L，使悬线在A球静止释放前伸直，且线与竖直方向 的夹角为，A球释放后摆到最低点时恰好与B球正碰， 碰撞后，A球把轻质指示针OC推移到与竖直方向夹 角为处，B球落到地面上，地面上铺有一张盖有复 写纸的白纸D，保持角度不变，多次重复上述实验， 白纸上记录到多个B球的落地点. 123