新教材适用2023-2024学年高中物理第一章动量与动量守恒定律4.实验验证动量守恒定律课后训练教科版选择性必修第一册

4.实验:验证动量守恒定律课后训练巩固提升基础巩固1.将验证动量守恒定律的实验装置搬到竖直墙壁的附近,调整仪器,使球A从斜轨上由静止释放,并在水平轨道末端与球B发生正碰后,两球都能打在墙上。已知A、B两球半径相同,A球的质量大于B球的质量,则下列说法正确的是()A.此装置无法验证动量守恒定律B.碰撞后瞬间,A球的速度大于B球的速度C.碰撞后,A、B两球同时打到墙上D.碰撞后,A球在墙上的落点在B球落点的下方答案:D解析:A、B两球碰撞后,两小球均做平抛运动,到达竖直墙壁时两球飞行的水平距离是相同的,测量出下降的竖直高度,则可以确定下落时间,从而确定水平分速度,从而确定两球碰撞前后的速度,再根据动量守恒定律列式即可验证动量守恒定律,故A错误;由于A球的质量大于B球,所以碰后B球的速度一定大于A球的速度,故B错误;碰撞后由于水平速度不同,则两球到达墙面时的时间不同,故C错误;由于A球的速度小于B球,所以A球到达墙面的时间比B球长,竖直方向二者均做自由落体运动,故A球下落的高度大,A球在墙上的落点在B球落点的下方,故D正确。2.如图所示,用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律,即验证两个小球在水平轨道末端碰撞前后的动量守恒。入射小球质量为m1,被碰小球质量为m2,O点是小球抛出点在水平地面上的投影。实验时,先让入射小球m1多次从倾斜轨道上S位置由静止释放,找到其平均落地点的位置,并记下此位置距O点的距离;然后把被碰小球m2静置于水平轨道末端,再将入射小球m1从倾斜轨道上S位置由静止释放,与小球m2相撞,多次重复此过程,并分别找到它们平均落点的位置距O点的距离。则下列说法正确的是()A.实验中要求两小球半径相等,且满足m1<m2B.实验中要求倾斜轨道必须光滑C.如果等式m1x2=m1x1+m2x3成立,可验证两小球碰撞过程动量守恒D.如果等式m1x3=m1x1+m2x2成立,可验证两小球碰撞过程动量守恒答案:C解析:实验中要求两小球半径相等,且为了防止出现入射球反弹,入射球的质量要大于被碰球的质量,即m1>m2,故A错误;实验中要求倾斜轨道不需要光滑,只要入射球每次从同一点由静止滑下即可,故B错误;小球离开轨道后做平抛运动,由于小球抛出点的高度相同,它们在空中的运动时间t相等,它们的水平位移x与其初速度成正比,可以用小球的水平位移代替小球的初速度,若两球相碰前后的动量守恒,则有m1v0=m1v1+m2v2,又x2=v0t,x1=v1t,x3=v2t,代入得m1x2=m1x1+m2x3,故C正确,D错误。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,在小车A后连着纸带,推动小车A使之做匀速运动,然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体,继续做匀速运动,他设计的具体装置如图(a)所示。(a)(b)(1)长木板右端下面垫放一小木片的目的是。

(2)若已获得的打点纸带如图(b)所示,A处为运动的起点,各计数点间距分别记为AB、BC、CD和DE,用天平测得A、B两车的质量分别为mA、mB,则需验证的表达式为。

答案:(1)平衡摩擦力(2)mA·BC=(mA+mB)·DE解析:(1)长木板右端下面垫放一小木片,目的是平衡摩擦力,使小车拖着纸带在木板上能做匀速运动。(2)由于碰撞之后共同匀速运动的速度小于碰撞之前小车A独自运动的速度,故AC应在碰撞之前,DE应在碰撞之后;推动小车A由静止开始运动,故小车A有个加速过程,在碰撞前做匀速直线运动,即在相同的时间内通过的位移相同,BC段为匀速运动的阶段,故选BC计算碰前的速度;碰撞过程是一个变速运动的过程,而A和B碰后共同运动时做匀速直线运动,在相同的时间内通过相同的位移,故应选DE段来计算碰后共同的速度;碰前系统的动量p1=mAvA=mABC碰后的总动量p2=(mA+mB)v共=(mA+mB)DE所以需验证的表达式为mABC6T=(mA+mB即mA·BC=(mA+mB)·DE。4.在学习了“研究碰撞中的不变量”的实验后,得出了动量守恒定律,反过来我们可以利用该实验中的有关方案来“验证动量守恒定律”。下面是某实验小组选用水平气垫导轨、光电门的测量装置来研究两个滑块碰撞过程中系统动量的变化情况。实验仪器如图(a)所示。(a)(b)实验过程:(1)调节气垫导轨水平,并使数字计时器系统正常工作。(2)在滑块1上装上挡光片,用游标卡尺测得其挡光宽度L如图(b)所示,则L=mm。

(3)在滑块2的碰撞端面粘上橡皮泥(或双面胶纸)。(4)用天平测出滑块1和滑块2的质量分别为m1=0.4kg、m2=0.2kg。(5)把滑块1和滑块2放在气垫导轨上,设滑块2处于静止状态(v2=0),滑块1以初速度v1与之碰撞(这时数字计时器系统自动计算时间),撞后两者粘在一起,分别记下滑块1的挡光片碰前通过光电门1的挡光时间t1和碰后通过光电门2的挡光时间t2。(6)先根据v=Lt计算滑块1碰撞前的速度v1及碰撞后两者的共同速度v;再计算两滑块碰撞前后的动量,实验数据:(请在下面表格的空白处填上相应文字或数据)次数滑块1滑块2碰前系统动量碰后系统动量v1/(m·s-1)v/(m·s-1)v2/(m·s-1)v/(m·s-1)m1v1/(kg·m·s-1)m2v2/(kg·m·s-1)(m1+m2)v/(kg·m·s-1)10.2900.19200.192①00.11520.4530.29600.296②0③结论④

①;②;③;④

。

答案:(2)1.0(6)①0.116②0.181③0.178④在误差允许的范围内,碰撞前系统动量的矢量和等于碰撞后系统动量的矢量和解析:(2)由题图(b)所示游标卡尺可知,10分度的游标精度为0.1mm,其示数为1mm+0×0.1mm=1.0mm。(6)由题表中实验数据可知,①m1v1=0.4×0.290kg·m/s=0.116kg·m/s;②m1v1=0.4×0.453kg·m/s≈0.181kg·m/s;③(m1+m2)v=(0.4+0.2)×0.296kg·m/s≈0.178kg·m/s;④由表中实验数据可知,在误差允许范围内,碰撞过程系统动量守恒。能力提升1.某班物理兴趣小组采用如图所示装置来“验证动量守恒定律”。将一段不可伸长的轻质小绳一端与力传感器(可以实时记录绳所受的拉力)相连固定在O点,另一端连接小钢球A(绳长远大于小钢球半径),把小钢球拉至M处可使绳水平拉紧。在小钢球最低点N右侧放置有一水平气垫导轨,气垫导轨上放有小滑块B(B上安装宽度较小且质量不计的遮光板)、光电门(已连接数字计时器)。当地的重力加速度为g。某同学按上图所示安装气垫导轨、滑块B(调整滑块B的位置使小钢球自由下垂静止在N点时与滑块B接触而无压力)和光电门,调整好气垫导轨高度,确保小钢球A通过最低点时恰好与滑块B发生正碰。让小钢球A从某位置静止释放,摆到最低点N与滑块B碰撞,碰撞后小钢球A并没有立即反向,碰撞时间极短。(1)为完成实验,除了数字计时器读数Δt、碰撞前瞬间绳的拉力F1、碰撞结束瞬间绳的拉力F2、滑块B的质量mB和遮光板宽度d外,还需要测量的物理量有。

A.小钢球A的质量mAB.绳长LC.小钢球从M到N运动的时间(2)滑块B通过光电门时的瞬时速度vB=。(用题中已给的物理量符号来表示)

(3)实验中需验证的表达式是。(用题中已给的物理量符号来表示)

答案:(1)AB(2)d(3)F1mA解析:滑块B通过光电门时的瞬时速度vB=d根据牛顿第二定律得F1-mAg=mAv12L,F2-mA若动量守恒,应满足mAv1=mAv2+mBvB整理得F1mA所以还需要测量小钢球A的质量mA以及绳长L。2.如图(a)所示,冲击摆是一个用细线悬挂着的摆块,弹丸击中摆块时陷入摆块内,使摆块摆至某一高度,利用这种装置可以测出弹丸的发射速度。(a)(b)实验步骤如下:①用天平测出弹丸的质量m和摆块的质量M;②将实验装置水平放在桌子上,调节摆绳的长度,使弹丸恰好能射入摆块内,并使摆块摆动平稳,同时用刻度尺测出摆长;③让摆块静止在平衡位置,扳动弹簧枪的扳机,把弹丸射入摆块内,摆块和弹丸推动指针一起摆动,记下指针的最大偏角;④多次重复步骤③,记录指针最大偏角的平均值;⑤换不同挡位测量,并将结果填入下表。挡位平均最大偏角θ弹丸质量m/kg摆块质量M/kg摆长l/m弹丸的速度v/(m·s-1)低速挡15.7°0.007650.07890.2705.03中速挡19.1°0.007650.07890.2706.77高速挡0.007650.07890.2707.15完成下列填空:(1)现测得高速挡指针最大偏角如图(b)所示,请将表中数据补充完整:θ=。

(2)用上述测量的物理量表示发射弹丸的速度v=。(已知重力加速度为g)

(3)为减小实验误差,每次实验前,并不是将指针置于竖直方向的零刻度处,常常需要试射并记下各挡对应的最大指针偏角,每次正式射击前,应预置指针,使其偏角略小于该挡的最大偏角。请写出这样做的一个理由:。

答案:(1)22.4°(22.1°~22.7°均正确)(2)m(3)较大的