2024-2025学年新教材高中物理第1章动量守恒定律4.实验验证动量守恒定律课件新人教版选择性必修第一册

第一章4.实验验证动量守恒定律学习目标1.通过分析教材提供的实验方案学习根据要求设计实验的方法。(科学探究)2.能够正确使用气垫导轨、光电门并获得实验数据。(科学探究)3.能够正确进行斜槽实验。(科学探究)4.通过实验培养实事求是的科学态度。(科学态度与责任)基础落实·必备知识全过关一、实验目的验证碰撞中的动量守恒。

用实验证实动量守恒定律的正确性二、实验思路在一维碰撞(碰撞前后物体都在同一直线上运动)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',如果速度的方向与设定的坐标轴的正方向一致,取正值,反之则取负值。测出m1、m2、v1、v2、v1'、v2',若m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2',那么碰撞中动量守恒。三、参考案例1

研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒1.实验中物理量的测量(1)质量的测量:用天平测量质量。(2)速度的测量:利用公式,式中Δx为滑块(挡光片)的宽度,Δt为计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门所对应的时间。(3)利用在滑块上增加已知质量的重物的方法改变碰撞物体的质量。2.实验方法

(1)用细线将弹簧片压缩,放置于两个滑块之间,并使它们静止,然后烧断细线,弹簧片弹开后落下,两个滑块随即向相反方向运动(图甲)。(2)在两滑块相碰的端面上装上弹性碰撞架(图乙),滑块碰撞后随即分开,可以得到能量损失很小的碰撞。(3)在两个滑块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,把两个滑块连成一体运动(图丙),这样可以得到能量损失很大的碰撞。【实验器材】气垫导轨(含气泵)、数字计时器、滑块(带挡光片)、弹簧片(或弹簧)、细绳、弹性碰撞架、撞针、橡皮泥等。【实验步骤】(1)用天平测出两滑块的质量,用毫米刻度尺测出滑块上挡光片的宽度。(2)安装好气垫导轨,调节导轨下面的调节旋钮,直到水平仪中的气泡位于中央,此时导轨水平。

导轨水平的标志(3)接通气泵的电源,向气垫导轨通入压缩空气。(4)按照实验方法(2),把滑块2放在气垫导轨的中间,使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮筋后释放滑块1。(5)记录滑块1通过光电门的时间t1,碰后滑块1和滑块2依次通过光电门的时间t1'、t2。【数据处理】

比较项碰撞前碰撞后质量m1m2m1m2

速度v1v2v1'v2'

总动量

结论:碰撞前两滑块的动量之和等于碰撞后两滑块的动量之和。【注意事项】(1)气垫导轨是一种精度较高的现代化仪器,切忌振动、重压,严防碰伤和划伤,禁止在不通气的情况下将滑块在轨面上滑动。(2)调整气垫导轨时要利用水平仪确保导轨水平。四、参考案例2

研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒1.实验中物理量的测量如图所示,质量较大的小球从斜槽上固定位置滚下来,跟放在斜槽末端的另一质量较小的球发生碰撞后都做平抛运动。由平抛运动知识可知,各小球落地的时间相等。这样如果用小球的飞行时间作时间单位,那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平速度。因此,只要分别测出两小球的质量m1、m2和不放被碰小球时入射小球在空中飞出的水平距离OP,以及入射小球与被碰小球碰撞后分别在空中飞出的水平距离OM和ON,若在实验误差允许的范围内m1OP=m1OM+m2ON,就验证了小球组成的系统碰撞前后总动量守恒。2.实验方法【实验器材】斜槽、铅垂线、质量不等的小球、白纸、复写纸、刻度尺、圆规、三角板、天平等。【实验步骤】(1)用天平测出两个小球的质量,并选定质量大的小球为入射小球。(2)安装实验装置。调整固定斜槽,应使斜槽末端水平,即在水平槽上放置小球,小球能够保持静止,说明槽口末端水平。(3)在水平地面上适当位置铺放白纸,在白纸上铺放复写纸,记下铅垂线所指的位置O(斜槽末端)。(4)不放被碰小球,让入射小球从斜槽上某固定高度滚下,重复10次。用尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面,圆心P就是小球落点的平均位置。(5)把被碰小球放在斜槽末端,让入射小球从同一高度滚下,使它们发生碰撞,重复实验10次。用步骤(4)的方法,标出碰后入射小球落点的平均位置M和被碰小球的落点的平均位置N。如图所示。(6)连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度。将测量数据填入表中。【数据处理】

实验次数入射小球的质量m1/g被碰小球的质量m2/gOP/cmOM/cmON/cm碰前动量碰后动量1

2

结论:碰撞前两小球的动量之和等于碰撞后两小球的动量之和。

【注意事项】(1)斜槽末端点的切线要水平。(2)入射小球的质量大于被碰小球的质量。(3)每次入射小球在斜槽上同一高度自由滚下。(4)白纸铺好后不能移动。易错辨析(1)利用气垫导轨验证动量守恒时,气垫导轨使用前须调节到水平状态。(

)(2)在气垫导轨上放滑块前,须先给导轨通压缩空气。(

)(3)滑块通过光电门时的速度大小可以用挡光片的宽度与挡光时间的比值表示。(

)(4)利用斜槽验证动量守恒时,斜槽末端不需要调整到水平。(

)√√√×只有斜槽末端水平,才能保证小球碰前或碰后做平抛运动,进而用水平射程替代速度。(5)利用斜槽验证动量守恒时,入射小球的质量可以小于被碰小球的质量。(

)(6)利用斜槽验证动量守恒时,两小球碰后的速度大小可以用它们做平抛运动的水平距离替代。(

)×为保证入射小球碰后不反弹,其质量不能小于被碰小球的质量。

√重难探究·能力素养全提升探究点一实验原理与操作典例剖析【例题1】

(2024福建宁德高二期末)用如图所示的实验器材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。(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

(填选项前的符号),间接地解决这个问题。

A.小球开始释放的高度hB.小球抛出点距地面的高度HC.小球做平抛运动的水平位移C(2)图中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影,实验时先让小球1多次从倾斜轨道上S位置静止释放,找到其平均落地点的位置P,测量水平位移lOP,然后,把小球2静置于轨道水平部分的末端,再将小球1从倾斜轨道上S位置静止释放,与小球2相碰,并多次重复。接下来要完成的必要步骤是

。(填选项前的符号)

A.用天平测量两个小球的质量m1、m2B.测量小球1开始释放时的高度hC.测量抛出点距地面的高度HD.分别找到两个小球相碰后平均落地点的位置M、NE.测量水平位移lOM、lON(3)若两球碰撞前后的动量守恒,其表达式为_____________________________[用(2)中测量的量表示]。

ADEm1·lOP=m1·lOM+m2·Lon

解析

(1)根据小球的平抛运动规律,可以用位移x代替速度v,故可以通过测量小球做平抛运动的水平位移来代替测量小球碰撞前后的速度。(2)待测的物理量就是水平位移lOM、lON和两个小球的质量m1、m2,所以要完成的必要步骤是ADE。(3)若两球碰撞前后动量守恒,则m1v0=m1v1+m2v2,又lOP=v0t,lOM=v1t,lON=v2t,代入得m1·lOP=m1·lOM+m2·lON。对点演练1.(2024山西大同月考)某同学设计了一个用打点计时器“验证动量守恒定律”的实验:在小车O的前端粘有橡皮泥,后端连一纸带,推动小车O使之做匀速运动,然后与原来静止在前方的小车N相碰并粘在一起,继续做匀速运动。他设计的具体装置如图甲所示。(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乙所示,A为运动的起点,各计数点间距分别记为lAB、lBC、lCD和lDE,用天平测得O、N两车的质量分别为mO、mN,则需验证的表达式为

。

平衡摩擦力

mA·lBC=(mA+mB)·lDE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做匀速运动。探究点二数据处理与误差分析典例剖析【例题2】

(2024山东莱芜月考)某同学设计了一个用打点计时器“验证动量守恒定律”的实验,在小车甲的前端粘有橡皮泥,设法使小车甲做匀速直线运动,然后与原来静止的小车乙相碰并粘在一起继续做匀速运动,如图1所示。在小车甲的后面连着纸带,电磁打点计时器的频率为50Hz。图1(1)若已获得的打点纸带如图2所示,并测得各计数点间的距离,则应选图中

段来计算小车甲碰前的速度,应选

段来计算小车甲和小车乙碰后的速度。

图2(2)已测得小车甲的质量m甲=0.40kg,小车乙的质量m乙=0.20kg,则由以上结果可得碰前m甲v甲+m乙v乙=

kg·m/s,碰后m甲v甲'+m乙v乙'=

kg·m/s。

(3)从实验数据的处理结果来看,小车甲、乙碰撞的过程中,不变的物理量是

。

BCDE0.420

0.417小车甲、乙组成的系统碰撞前后的总动量解析

(1)因为小车甲与乙碰撞前、后都做匀速运动,且碰后小车甲与乙粘在一起,其共同速度比小车甲原来的速度小,所以,应选点迹分布均匀且点距较大的BC段计算小车甲碰前的速度,选点迹分布均匀且点距较小的DE段计算小车甲和乙碰后的速度。(2)由题图可知,碰前小车甲的速度和碰后小车甲、乙的共同速度分别为故碰撞前m甲v甲+m乙v乙=0.40×1.05

kg·m/s+0.20×0

kg·m/s=0.420

kg·m/s碰撞后m甲v甲'+m乙v乙'=(m甲+m乙)v甲'=(0.40+0.20)×0.695

kg·m/s=0.417

kg·m/s。(3)数据处理表明,m甲v甲+m乙v乙≈m甲v甲'+m乙v乙',即在实验误差允许的范围内,小车甲、乙组成的系统碰撞前后总动量是不变的。对点演练

2.(2024山东烟台月考)在实验室里为了验证动量守恒定律,一般采用如图甲、乙所示的两种装置:(1)若入射小球质量为m1,半径为r1;被碰小球质量为m2,半径为r2,则

。

A.m1>m2,r1>r2

B.m1>m2,r1<r2C.m1>m2,r1=r2

D.m1<m2,r1=r2C(2)若采用图乙所示装置进行实验,以下所提供的测量工具中一定需要的是

。

A.刻度尺 B.游标卡尺C.天平 D.弹簧测力计E.秒表(3)设入射小球的质量为m1,被碰小球的质量为m2,则在用图甲所示装置进行实验时(P为碰前入射小球落点的平均位置),所得“验证动量守恒定律”的结论为

。(用装置图中的字母表示)

ACm1·lOP=m1·lOM+m2·lQN解析

(1)为防止反弹造成入射小球返回斜槽,要求入射小球质量大于被碰小球质量,即m1>m2;为使入射小球与被碰小球发生对心碰撞,要求两小球半径相同,故C正确。(2)设入射小球为a,被碰小球为b,a球碰前的速度为v1,a、b相碰后的速度分别为v1'、v2'。由于两球都从同一高度做平抛运动,故两球的运动时间相同。因此,需验证的动量守恒关系m1v1=m1v1'+m2v2'可表示为m1x1=m1x1'+m2x2'。所以需要刻度尺、天平,而不需要弹簧测力计、秒表。由于题中两个小球都可认为是从槽口开始做平抛运动的,两球的半径不必测量,故不需要游标卡尺。(3)得出验证动量守恒定律的结论应为m1·lOP=m1·lOM+m2·lQN。探究点三实验的改进与创新典例剖析【例题3】

(2024河南郑州高二期末)如图甲所示,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。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,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,指针在摆动幅度最大处停下,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(角度)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15.70.007650.07890.2705.03中速挡19.10.007650.07890.2706.77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乙所示,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,实际上每次实验前,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位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:

。

22.4(22.1~22.7均正确)以较大的速度碰撞指针,会损失较多的机械能

解析

(1)分度值为1°,故读数为22.4(22.1~22.7均正确)。(2)弹丸射入摆块内,系统动量守恒mv=(m+m')v'(3)以较大的速度碰撞指针,会损失较多的机械能(其他理由,如摆块在推动指针偏转时要克服摩擦力做功、指针摆动较长的距离损失的机械能较多等,只要合理即可)。对点演练3.(2024湖北荆门一中月考)某物理兴趣小组利用如图甲所示的装置进行实验。在足够大的水平平台上的A点放置一个光电门,水平平台上A点右侧摩擦很小,可忽略不计,左侧为粗糙水平面,当地重力加速度为g,采用的实验步骤如下:①在小滑块a上固定一个宽度为d的窄挡光片;②用天平分别称出小滑块a(含挡光片)和小球b的质量ma、mb;③a和b间用细线连接,中间夹一被压缩了的轻弹簧,静止放置在平台上;④细线烧断后,a、b瞬间被弹开,向相反方向运动;⑤记录小滑块a通过光电门时挡光片的遮光时间t;⑥小滑块a最终停在C点(图中未画出),用刻度尺测出A、C之间的距离sa;⑦小球b从平台边缘飞出后,落在水平地面的B点,用刻度尺测出平台距水平地面的高度h及平台边缘铅垂线与B点之间的水平距离sb;⑧改变弹簧压缩量,进行多次测量。(1)小滑块a经过光电门的速度为

(用上述实验数据字母表示)。

(2)该实验要验证“动量守恒定律”,则只需验证等式

成立即可(用上述实验数据字母表示)。

(3)改变弹簧压缩量,多次测量后,该实验小组得到

与sa的关系图像如图乙所示,图