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文档简介
实验八验证动量守恒定律注意事项1.前提条件:碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。2.方案提醒(1)若利用气垫导轨进行验证,调整气垫导轨时,应注意利用水平仪确保导轨水平。(2)若利用两小车相碰进行验证,要注意平衡摩擦力。(3)若利用平抛运动规律进行验证①斜槽末端的切线必须水平;②入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放;③选质量较大的小球作为入射小球;④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。命题点一教材原型实验【例1(2021·四川攀枝花市统考)某学习小组用如图2所示的实验装置探究碰撞中的不变量。将打点计时器固定在光滑水平桌面的一端,把纸带穿过打点计时器,连在小车A的后面。让小车A运动,小车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,把两小车连成一体。某次实验中使用的两车质量均为0.6kg,与打点计时器连接的交流电频率为50Hz,得到的纸带如图3所示。图2图3请回答下列问题:(1)纸带的________(选填“a”或“b”)端与小车A相连。(2)碰撞前系统的总动量为______kg·m/s,碰撞后系统的总动量为______kg·m/s(保留2位有效数字)。答案(1)b(2)0.560.54解析(1)从所给的纸带来看,a端的点迹较密,b端较疏,b端速度大,说明b端是碰撞前打出的点迹,故b端跟小车相连。(2)碰撞前的速度可以用靠近b端的三段的平均速度表示,v0=eq\f((12.60-7.00)×10-2,3×0.02)m/s=0.93m/s所以碰撞前的总动量p=mAv0=0.6×0.93kg·m/s=0.56kg·m/s碰撞后的速度用靠近a端的五段表示v=eq\f((4.60-0.10)×10-2,5×0.02)m/s=0.45m/s所以碰撞后的总动量p′=(mA+mB)v=1.2×0.45kg·m/s=0.54kg·m/s。【针对训练1】(2021·北京市西城区统一测试)用如图4所示的装置,来完成“验证动量守恒定律”的实验。实验中使用的小球1和2半径相等,用天平测得质量分别为m1、m2,且m1>m2。在木板上铺一张白纸,白纸上面铺放复写纸,记下重垂线所指的位置O。先不放小球2,使小球1从斜槽上某一点S由静止滚下,落到水平地面P点。再把小球2静置于斜槽轨道末端,让小球1仍从S处由静止滚下,小球1和小球2碰撞后分别落在复写纸上,在白纸上留下各自落点的痕迹。图4(1)实验中,直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的,可以通过测量小球做平抛运动的射程来解决这个问题。确定碰撞前后落点的位置P、M、N,用刻度尺测量出水平射程OP、OM、ON。①本实验必须满足的条件是________。A.斜槽轨道必须是光滑的B.斜槽轨道末端必须是水平的C.小球1每次必须从同一高度由静止释放②若两球相碰前后的动量守恒,其表达式可表示为:______________________________________________________________________③通过测量小球做平抛运动的射程来代替小球的速度,这样做的依据是:___________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)在上述实验中换用不同材质的小球,其他条件不变,可以改变小球的落点位置。下面三幅图中,可能正确的落点分布是________。答案(1)①BC②m1·OP=m1·OM+m2·ON③小球离开斜槽末端做平抛运动,竖直方向满足y=eq\f(1,2)gt2,下落高度一定,运动时间相同;水平方向满足x=vt,水平位移与平抛初速度成正比(2)B解析(1)因小球在斜槽末端的速度与平抛的水平位移成正比,所以斜槽是否光滑对该实验影响不大,A错误;斜槽末端保持水平,是为了保证它们在水平碰撞后做平抛运动,B正确;小球1每次必须从同一高度释放,尽可能保证每次碰撞情况相同,C正确;小球离开斜槽末端做平抛运动,竖直方向满足y=eq\f(1,2)gt2,下落高度一定,运动时间相同;水平方向满足x=vt,水平位移与平抛初速度成正比,两球相碰前后的动量守恒,其表达式可表示为m1·OP=m1·OM+m2·ON。(2)碰撞前的动量等于碰撞后的动量,所以P点是碰撞前的位置,M点是碰撞后的位置,N点是被碰小球的下落位置,A、C错误,B正确。命题点二实验方案创新1.实验器材:气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、弹簧片、胶布、撞针、橡皮泥等。2.实验方法(1)测质量:用天平测出两滑块的质量。(2)安装:按图5安装并调好实验装置。图5(3)实验:接通电源,利用光电计时器测出两滑块在各种情况下碰撞前、后的速度(例如:①改变滑块的质量;②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。【真题示例2(2020·全国Ⅰ卷,23)某同学用如图6所示的实验装置验证动量定理,所用器材包括:气垫导轨、滑块(上方安装有宽度为d的遮光片)、两个与计算机相连接的光电门、砝码盘和砝码等。实验步骤如下:图6(1)开动气泵,调节气垫导轨,轻推滑块,当滑块上的遮光片经过两个光电门的遮光时间________时,可认为气垫导轨水平。(2)用天平测砝码与砝码盘的总质量m1、滑块(含遮光片)的质量m2。(3)用细线跨过轻质定滑轮将滑块与砝码盘连接,并让细线水平拉动滑块。(4)令滑块在砝码和砝码盘的拉动下从左边开始运动,和计算机连接的光电门能测量出遮光片经过A、B两处的光电门的遮光时间Δt1、Δt2及遮光片从A运动到B所用的时间t12。(5)在遮光片随滑块从A运动到B的过程中,如果将砝码和砝码盘所受重力视为滑块所受拉力,拉力冲量的大小I=________,滑块动量改变量的大小Δp=__________(用题中给出的物理量及重力加速度g表示)。(6)某次测量得到的一组数据是:d=1.000cm,m1=1.50×10-2kg,m2=0.400kg,Δt1=3.900×10-2s,Δt2=1.270×10-2s,t12=1.50s,取g=9.80m/s2。计算可得I=________N·s,Δp=________kg·m·s-1(结果均保留3位有效数字)。(7)定义δ=eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(I-Δp,I)))×100%,本次实验δ=________%(保留1位有效数字)。答案(1)大约相等(5)m1gt12m2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)-\f(d,Δt1)))(6)0.2210.212(7)4解析(1)当气垫导轨水平时,滑块在导轨上做匀速运动,所以滑块上的遮光片通过两个光电门的遮光时间相等。(5)根据冲量的定义可得I=m1gt12;根据动量改变量的定义可得Δp=m2eq\f(d,Δt2)-m2eq\f(d,Δt1)=m2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)-\f(d,Δt1)))。(6)代入数据得I=m1gt12=1.50×10-2×9.80×1.50N·s≈0.221N·s;Δp=m2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)-\f(d,Δt1)))=0.400×1.000×10-2×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,1.270×10-2)-\f(1,3.900×10-2)))kg·m/s≈0.212kg·m/s。(7)根据定义可得δ=eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(I-Δp,I)))×100%≈4%。【针对训练2】(2021·辽宁葫芦岛市一模)为了验证动量守恒定律,某同学使用如图7甲所示的气垫导轨装置进行实验。其中G1、G2为两个光电门,它们与数字计时器相连,当两个刚性滑行器通过G1、G2光电门时,光束被滑行器上的挡光片遮挡的时间称为光电门的挡光时间。预先测得滑行器连同挡光片的总质量分别为m1、m2(m2>m1),两挡光片宽度均为D。该同学想在水平的气垫导轨上,只利用以上仪器验证动量守恒定律,请回答下列问题:图7(1)实验开始应先调节气垫导轨下面的螺母,使气垫导轨水平。在不增加其他测量器材的情况下,调气垫导轨水平的步骤是:接通气垫导轨装置的电源,调节导轨下面的螺母,若质量为m2的滑行器放在气垫导轨上的任意位置都能保持静止,或者轻推质量为m2的滑行器,质量为m2的滑行器分别通过光电门G1、G2的时间________,则气垫导轨水平。(2)用游标卡尺测量两挡光片的宽度如图乙所示,则D=____________。(3)将质量为m2的滑行器静置于两光电门之间,将质量为m1的滑行器置于光电门G1右侧,用手推动质量为m1的滑行器,使质量为m1的滑行器获得水平向左的速度经过光电门G1并与质量为m2的滑行器发生碰撞且被弹回,再次经过光电门G1。光电门G1先后记录的挡光时间为Δt11、Δt12,光电门G2记录的挡光时间为Δt2。在本次实验中,若表达式____________________(用m1、m2、Δt11、Δt12、Δt2表示)在误差允许的范围内成立,则动量守恒定律成立。答案(1)相等(2)5.75mm(0.575cm;5.75×10-3m都对)(3)m1eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,Δt11)+\f(1,Δt12)))=m2eq\f(1,Δt2)解析(1)实验开始,轻推滑行器,若滑行器做匀速直线运动,滑行器通过光电门的速度相等,则光电门的挡光时间相等,证明气垫导轨已经水平。(2)两挡光片的宽度D=5mm+15×0.05mm=5.75mm。(3)质量为m的滑行器两次经过光电门G1的速度近似等于滑块经过光电门时的平均速度,分别为v1=eq\f(D,Δt11),v1′=eq\f(D,Δt12)质量为M的滑行器经过光电门G2的速度v2=eq\f(D,Δt2)根据动量守恒定律得m1v1=m2v2-m1v1′整理得m1eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,Δt11)+\f(1,Δt12)))=m2eq\f(1,Δt2)。1.(2021·安徽宿州市模拟)某实验小组用光滑导轨验证滑块碰撞过程中动量守恒。实验装置如图8甲所示,两滑块置于导轨上,其中滑块2左侧粘有橡皮泥。图8(1)电火花计时器固定在紧靠导轨左端并连接在50Hz交流电源上,将纸带穿过计时器并固定在滑块1的左端(图中未画出),调节打点计时器的高度使纸带始终与导轨平行。主要步骤:①实验前应调节导轨底部的调节旋钮,使导轨________;②把滑块2放在导轨的中间,使滑块1置于左端弹射架上;③先________,然后________,让滑块1带动纸带一起运动;(选填“接通电源”“释放滑块1”“释放滑块2”)④取下纸带,重复步骤②③,选出理想的纸带;⑤用天平测得滑块1的质量为300g,滑块2(包括橡皮泥)的质量为346g。(2)某次实验打出的纸带如图乙所示(纸带上的点为计时点)。两滑块碰撞之前系统的总动量为________kg·m/s;两滑块碰撞之后系统的总动量为________kg·m/s(结果均保留3位有效数字)。答案(1)水平接通电源释放滑块1(2)0.3900.388解析(1)①实验前应调节导轨底部的调节旋钮,使导轨水平。③根据实验操作步骤可知,先接通电源然后释放滑块1。(2)滑块1向右运动与滑块2碰撞后粘在一起,所以粘前速度较大,那么碰撞前的速度v=eq\f(13.0×10-2,5×0.02)m/s=1.3m/s两滑块碰撞之前系统的总动量为p=m1v=0.390kg·m/s与滑块2碰撞后粘在一起的速度v′=eq\f(7.2×10-2,6×0.02)m/s=0.6m/s碰后总动量为p′=(m1+m2)v′=0.388kg·m/s。2.(2021·江西鹰潭市模拟)某同学用如图9甲所示的装置验证碰撞中动量守恒。一根长为L的轻质不可伸缩细线一端拴住质量为mA的小钢球A,细线的另一端固定在悬点O,在最低点的前后放置一光电门,光电门前的水平面上放一质量为mB的金属物块B,物块的上表面中央固定一轻质的遮光片。现将小球向右拉至细线水平后静止释放,小球在最低点与物块碰撞后反弹上升,测出小球反弹上升时细线的最大偏角为θ,光电门记录的挡光时间为t,已知重力加速度为g。则图9(1)用20分度的游标卡尺测遮光片的宽度如图乙所示,则遮光片的宽度d=______mm。(2)小球与物块的质量大小关系为mA______mB(选填“>”“=”或“<”);(3)验证小球与物块在碰撞过程中动量守恒的表达式为________________________。(用字母mA、mB、L、d、θ、t、g表示)答案(1)4.35(2)<(3)mAeq\r(2gL)(1+eq\r
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