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文档简介
4实验:验证动量守恒定律[学习目标]1.选取合理的器材,设计合理的方案验证动量守恒定律(重点)。2.创设系统满足动量守恒的条件。3.掌握一维碰撞前、后速度测量的方法,并学会处理数据(重点)。4.体会将不易测量物理量转化为易测量物理量的实验设计思想(重难点)。一、实验思路1.动量守恒定律的适用条件:______________或者________________________。2.实验原理:由于发生碰撞时作用时间很短,内力____________外力,因此碰撞满足动量守恒定律的条件。在一维碰撞的情况下,设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′,若系统所受合外力为零,则系统的动量守恒,则________________。二、进行实验方案1:研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒1.实验装置:如图所示实验器材:气垫导轨、数字计时器、天平、滑块(两个)、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥、挡光片等。2.物理量的测量(1)质量的测量:用________测量两滑块的质量m1、m2。(2)速度的测量:v=________,式中的d为滑块上挡光片的________,Δt为数字计时器显示的滑块上的挡光片经过__________的时间。(3)碰撞情景的实现: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,利用在滑块上加重物的方法改变碰撞物体的质量。3.本实验研究以下几种情况(1)滑块碰撞后分开。(2)滑块碰撞后粘连。(3)静止的两滑块被反向弹开。4.实验步骤:(以上述3中第(1)种情况为例)(1)安装气垫导轨,接通电源,给导轨通气,调节导轨水平。(2)在滑块上安装好挡光片、弹性碰撞架、光电门等,测出两滑块的质量m1和m2。(3)用手拨动滑块使其在两数字计时器之间相碰.滑块反弹越过数字计时器之后,抓住滑块避免反复碰撞.读出两滑块经过两数字计时器前后的4个时间。(4)改变碰撞速度,或采用运动滑块撞击静止滑块等方式,分别读出多组数据,记入表格。5.数据分析在确保挡光片宽度d一致的前提下,可将验证动量守恒定律m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′变为验证________________。6.注意事项(1)气垫导轨要调整到水平。(2)安装到滑块的挡光片宽度适当小些,计算速度会更精确。方案2:研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒1.实验装置:如图甲所示,让一个质量______的小球从斜槽上滚下来,与放在斜槽末端的另一质量________的同样大小的小球发生正碰,斜槽末端保持水平,之后两小球都做________________。实验器材:铁架台,斜槽轨道,两个大小相等、质量________的小球,铅垂线,复写纸,白纸,______,__________,圆规,三角板等。2.物理量的测量(1)质量的测量:用天平测量两小球的质量m1、m2。(2)速度的测量:两球碰撞前后的速度,可以利用平抛运动的知识求出。3.实验步骤:(1)不放被碰小球,让入射小球m1从斜槽上某一位置由________滚下,记录平抛的落点P及水平位移OP。(2)在斜槽水平末端放上被碰小球m2,让m1从斜槽________位置由静止滚下,记下两小球离开斜槽做平抛运动的落点M、N及水平位移OM、ON。(3)为了减小误差,需要找到不放被碰小球及放被碰小球时小球落点的平均位置。为此,需要让入射小球从同一高度多次滚下,进行多次实验,然后用圆规画尽量小的圆把小球所有的落点都圈在里面,其圆心即为小球落点的平均位置。4.数据分析由OP=v1t,OM=v1′t,ON=v2′t,得v1=eq\f(OP,t),v1′=eq\f(OM,t),v2′=eq\f(ON,t)。可知,小球碰撞后的速度之比等于它们落地时飞行的水平距离之比,因此这个实验可以不测量速度的具体数值,只需验证________________________________是否成立就可以验证动量守恒定律是否成立。5.注意事项(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)入射球的质量m1大于被碰球的质量m2。(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。(5)不需要测量速度的具体数值,将速度的测量转化为水平距离的测量。三、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,用长木板实验时是否平衡掉摩擦力,两球是否等大等。2.偶然误差:主要来源于质量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的测量。例1某同学利用气垫导轨做“验证动量守恒定律”的实验,气垫导轨装置如图所示,所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成。(1)下面是实验的主要步骤:①安装好气垫导轨,调节气垫导轨的调节旋钮,使导轨水平;②向气垫导轨通入压缩空气;③接通数字计时器;④把滑块2静止放在气垫导轨的中间;⑤滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳;⑥释放滑块1,滑块1通过光电门1后与左侧带有固定弹簧(未画出)的滑块2碰撞,碰后滑块2和滑块1依次通过光电门2,两滑块通过光电门2后依次被制动;⑦读出滑块通过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Δt1=10.01ms,通过光电门2的挡光时间Δt2=49.99ms,滑块2通过光电门2的挡光时间Δt3=8.35ms;⑧测出挡光板的宽度均为d=5mm,测得滑块1的质量为m1=300g,滑块2(包括弹簧)的质量为m2=200g。(2)数据处理与实验结论:①实验中气垫导轨的作用是:A.________________________________________________________________________;B.________________________________________________________________________。②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;碰撞后滑块2的速度v3为________m/s。(结果均保留两位有效数字)③碰撞前系统的总动量为m1v1=______。碰撞后系统的总动量为m1v2+m2v3=________。由此可得实验结论:___________________________________________________________。例2某同学用图甲所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来验证动量守恒定律,图中CQ是斜槽,QR为水平槽,二者平滑相接,调节实验装置,使小球放在QR上时恰能保持静止,实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下,落到位于水平地面上的记录纸上,留下痕迹。重复上述操作10次,得到10个落点痕迹.然后把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方,让A球仍从位置G由静止开始滚下,和B球碰撞后,A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹。重复这种操作10次。图甲中O是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点,P为未放被碰球B时A球的平均落点,M为与B球碰后A球的平均落点,N为被碰球B的平均落点。若B球落点痕迹如图乙所示,其中米尺水平放置,且平行于OP。米尺的零刻度与O点对齐。(1)入射球A的质量mA和被碰球B的质量mB的关系是mA________mB(选填“>”“<”或“=”)。(2)碰撞后B球的水平射程约为______cm。(3)下列选项中,属于本次实验必须测量的是________(填选项前的字母)。A.水平槽上未放B球时,测量A球平均落点位置到O点的距离B.A球与B球碰撞后,测量A球平均落点位置到O点的距离C.测量A球或B球的直径D.测量A球和B球的质量E.测量G点相对于水平槽面的高度(4)若系统动量守恒,则应有关系式:_____________________________________________________________________________________________________________________。例3利用如图所示的装置做“验证动量守恒定律”的实验,质量为mA的钢球A用细线悬挂于O点,质量为mB的钢球B放在离地面高度为H的小支柱N上。O点到A球球心的距离为L。使悬线在A球释放前伸直,且线与竖直方向的夹角为α,A球释放后摆动到最低点时恰与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β处,B球落到地面上,地面上铺一张盖有复写纸的白纸D。保持α角度不变,多次重复上述实验,白纸上记录了多个B球的落点,重力加速度为g。(悬线长远大于小球半径)(1)图中x应
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