2024-2025年新教材高中物理第一章动量守恒定律4实验：验证动量守恒定律学案新人教版选择性必修第一册

PAGE6-试验：验证动量守恒定律目标体系构建明确目标·梳理脉络【学习目标】1．驾驭验证动量守恒定律的试验思路和试验方法；明确试验所需测量的物理量。2．设计试验方案，进行数据处理，得出试验结论，验证动量守恒定律。3．通过试验验证，进一步领悟守恒思想。【思维脉络】课前预习反馈教材梳理·落实新知学问点1试验思路让两个物体碰撞前沿同始终线运动，碰撞后仍沿这条直线运动，创建条件，使系统所受外力的矢量和近似为0，满意__动量守恒__的条件。学问点2物理量的测量探讨对象确定后，还须要明确所需测量的物理量和试验器材。须要测量物体的__质量__，以及两个物体发生碰撞前后各自的__速度__。物体的质量可用__天平__干脆测量。学问点3数据分析选取质量不同的两个物体进行碰撞，测出物体的质量(m1，m2)和碰撞前后的速度(v1，v′1，v2，v2′)，若满意m1v1＋m2v2＝__m1v′1＋m2v2′__，则验证了碰撞前后总__动量__守恒。学问点4参考案例方案一：探讨气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒1．试验器材：气垫导轨、__光电计时器__、天平、__滑块__(两个)、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。2．试验原理：(1)调整导轨使之处于__水平__状态，并使光电计时器系统正常工作。(2)速度的测量：记录光电门挡光片的宽度Δx以及光电计时器显示的挡光时间Δt，利用公式v＝__eq\f(Δx,Δt)__计算出两滑块碰撞前后的速度。方案二：探讨斜槽末端小球碰撞时的动量守恒1．试验器材：铁架台，斜槽轨道，两个大小相等、质量__不__同的小球，重垂线，复写纸，白纸，__天平__，__刻度尺__，圆规，三角板等。2．试验的基本思想——转化法：不易测量量转化为易测量量的试验设计思想。3．试验原理：(1)让一个质量较大的小球从斜槽上滚下，与放在斜槽末端的另一质量较小的小球发生碰撞，之后两小球都做__平抛__运动。(2)速度的测量：由于两小球下落的高度相同，所以它们的飞行时间__相等__。假如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__。课内互动探究细研深究·破疑解难探究探讨气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒1．试验装置：如图所示。2．物理量的测量(1)滑块的质量用天平干脆测量。(2)速度的测量：v＝eq\f(Δx,Δt)，式中的Δx为滑块上挡光板的宽度，Δt为光电计时器记录的滑块上的挡光板经过光电门的时间。3．碰撞情境的实现利用轻质弹簧、细线、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等设计各种类型的碰撞，通过在滑块上添加已知质量的物块来变更碰撞物体的质量。(1)情境1：质量不同的两滑块，一静一动碰撞；(2)情境2：两滑块追碰、相向碰，碰撞后分开；(3)情境3：两滑块挤压弹簧后用细线连接，烧断细线后两滑块分开；(4)情境4：两滑块碰撞后，撞针插入橡皮泥中，使滑块连成一体。4．数据记录与处理(1)规定正方向，碰撞前后速度的方向与正方向相同为正，相反为负。(2)通过计算碰撞前后的总动量，检验是否满意动量守恒定律。┃┃典例剖析__■典例1气垫导轨是常用的一种试验仪器，它是利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上，滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦。我们可以用带竖直挡板C和D的气垫导轨以及滑块A和B来验证动量守恒定律，试验装置如图所示(弹簧的长度忽视不计)。试验步骤如下：a．用天平分别测出滑块A、B的质量mA、mB；b．调整气垫导轨，使导轨处于水平；c．将A、B静止放置在气垫导轨上，在A和B间放入一个被压缩的轻质弹簧，用电动卡销锁定；d．用刻度尺测出滑块A的左端至挡板C的距离L1；e．按下电钮放开卡销，同时使分别记录滑块A、B运动时间的计时器起先工作，当A、B滑块分别碰撞C、D挡板时停止计时，登记滑块A、B分别到达挡板C、D的运动时间t1和t2。(1)试验中还应测量的物理量是__滑块B的右端到挡板D的距离L2__。(2)利用上述测量的试验数据，验证动量守恒定律的表达式是__mAeq\f(L1,t1)＝mBeq\f(L2,t2)__，上式中算得A、B两滑块的动量大小并不完全相等，产生误差的缘由是：①__气垫导轨可能不水平导致误差__；②__滑块受到阻力作用而导致误差__。解析：(1)为了验证动量守恒定律，须要测出滑块B运动的速度，所以须要测量滑块B的右端到挡板D的距离L2。(2)两滑块动量守恒，满意mAvA＝mBvB滑块脱离弹簧后在导轨上做匀速直线运动vA＝eq\f(L1,t1)，vB＝eq\f(L2,t2)代入解得须要满意的表达式为mAeq\f(L1,t1)＝mBeq\f(L2,t2)①气垫导轨可能不水平导致误差；②滑块受到阻力作用而导致误差。┃┃对点训练__■1．某同学利用气垫导轨进行“探讨气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒”试验，如图所示，其中图甲中两滑块相互碰撞的端面上分别装有弹性碰撞架，图乙中两滑块的碰撞端分别装有撞针和橡皮泥。(1)分别用甲、乙两图的试验装置进行试验，碰撞时图__甲__所示的装置动能损失得较小。(2)某次试验时使图乙中A、B滑块匀速相向滑动并发生碰撞，测得碰撞前A、B的速度大小分别为vA＝2m/s，vB＝4m/s，碰后A、B以共同的速度v＝0.8m/s运动，方向与碰撞前A的运动方向相同，A、B的质量分别用mA、mB表示，以碰撞前A的运动方向为正方向，则验证此过程中动量守恒的表达式为__2mA－4mB＝0.8(mA＋mB)__；若表达式成立，则mA∶mB＝__4∶1__。解析：(1)题图乙中两滑块碰撞后会连成一体，动能损失较大。(2)由题意知，mAvA－mBvB＝(mA＋mB)v，代入数据得2mA－4mB＝0.8(mA＋mB)，解得mA∶mB＝4∶1。探究探讨斜槽末端小球碰撞时的动量守恒1．测质量：用天平测出两个小球的质量，并选质量大的小球为入射小球。2．试验装置：将斜槽安装在水平桌面上，并调整斜槽使其末端水平，在地面上铺上白纸，上面再铺好复写纸，登记重垂线所指的位置O。3．试验操作：(1)不放被撞小球，让入射小球从斜槽上某固定位置处自由滚下。重复10次，用圆规画尽量小的圆把全部的小球落点圈在里面，圆心P就是小球落点的平均位置。(2)把被撞小球放在斜槽末端，让入射小球从斜槽固定位置处自由滚下，使它们发生碰撞，重复10次，用①中的方法，标出入射小球发生碰撞后落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N。(3)连接O、N。测量线段OP、OM、ON的长度，将测量数据代入公式m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，看在误差允许的范围内是否成立，如成立，则碰撞前后动量守恒。4．留意事项(1)“水平”和“正碰”是操作中应尽量予以满意的前提条件。(2)斜槽末端必需水平。(3)入射球的质量应大于被碰球的质量。(4)入射球每次都必需从斜槽上同一位置由静止起先滚下。┃┃典例剖析__■典例2如图所示，斜槽末端水平，小球m1从斜槽某一高度由静止滚下，落到水平面上的P点。今在槽口末端放一与m1半径相同的球m2，仍让球m1从斜槽同一高度滚下，并与球m2正碰后使两球落地，球m1和m2的落地点分别是M、N。已知槽口末端在白纸上的投影位置为O点。则：(1)两小球质量的关系应满意__B__。A．m1＝m2 B．m1>m2C．m1<m2(2)试验必需满意的条件__ACD__A．轨道末端的切线必需是水平的B．斜槽轨道必需光滑C．入射球m1每次必需从同一高度滚下D．入射球m1和被碰球m2的球心在碰撞瞬间必需在同一高度(3)试验中必需测量的是__AFG__。A．两小球的质量m1和m2B．两小球的半径r1和r2C．桌面离地的高度HD．小球起始高度E．从两球相遇到两球落地的时间F．小球m1单独飞出的水平距离G．两小球m1和m2相碰后飞出的水平距离(4)若两小球质量之比为m1∶m2＝3∶2，两球落点状况如下图所示，则碰撞前后动量是否守恒？思路引导：本题中利用平抛运动的规律，奇妙的供应了一种测量小球碰撞前后速度的方法，既便利又好用。解析：(1)为防止反弹造成入射球返回斜槽，要求入射球质量大于被碰球质量，即m1>m2，故选B。(2)为保证两球从同一高度做平抛运动，试验中要求斜槽轨道末端的切线要调成水平。为保证明验有较好的可重复性以减小误差，试验中要求入射球每次从同一高度滚下。本试验是探究碰撞前后物理量的变更状况，故不须要斜槽轨道必需光滑，故选A、C、D。(3)本试验必需测量的是两小球质量m1和m2，入射球m1单独飞出的水平距离和两小球m1和m2相碰后各自飞出的水平距离。因小球脱离轨道口后做的是相同高度的平抛运动，因此两球碰后落地时间相等，两小球水平分运动的时间也相等，故可以利用水平距离的测量代替速度的测量，所以不须要测量桌面离地的高度及两小球碰后落地的时间。故选A、F、G。(4)设m1＝3m，m2＝2则v1＝eq\f(OP,t)＝eq\f(43.50×10－2,t)m/s，m1v1＝eq\f(1.305m,t)v′1＝eq\f(OM,t)＝eq\f(13.50×10－2,t)m/s，m1v′1＝eq\f(0.405m,t)v2＝0，v′2＝eq\f(ON,t)＝eq\f(45.00×10－2,t)m/s，m2v′2＝eq\f(0.9m,t)m1v′1＋m2v′2＝eq\f(1.305m,t)。所以m1v1＝m1v′1＋m2v′2，故碰撞前后动量守恒。┃┃对点训练__■2．某同学把两块大小不同的木块用细线连接，中间夹一被压缩了的轻弹簧，如图所示。将这一系统置于光滑的水平桌面上，烧断细线，视察木块的运动状况，进行必要的测量，探究系统的动量是否守恒。(1)试验还必需有的器材是__刻度尺、天平、重垂线__；(2)需干脆测量的数据是__两木块的质量m1和m2，两木块落地点到桌面边缘的水平距离s1