实验：验证动量守恒定律【四大题型】原卷版-2024-2025学年高二物理（人教版选择性必修第一册）

实验:验证动量守恒定律【见1大题型】

＞题型梳理

目录

知识点1:验证碰撞中的动量守恒..................................................................1

【题型1研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒】..................................................4

【题型2研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒】....................................................6

【题型3利用光滑桌面上两车的碰撞验证动量守恒定律】............................................9

【题型4利用等长的悬线悬挂等大的小球验证动量守恒定律】......................................12

►举一反三

知识点1：验证碰撞中的动量守恒

一、实验思路和方法

①实验条件的创造：动量守恒定律的适用条件是系统不受外力，或者所受外力的矢量和为0。因此，在做

验证动量守恒定律的实验时，要尽量创造实验条件，使系统所受外力的矢量和近似为0o

②物理量的测量和数据分析：设计实验研究最简单的情况，即两个物体碰撞前、后均沿同一直线运动，简

称一维碰撞。选取质量不同的两个物体进行碰撞，分别测出物体的质量叫和m2,碰撞前后的速度修、vj

和功、V2/。分别计算出两物体碰撞前后的总动量，检验+爪2。2=机1%'+巾2。2’是否成立，若成立

即可验证动量守恒定律。

二、四种实验方案

方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒

(1)数据测量

①质量的测量：用天平测量质量

②速度的测量：利用公式〃=色，式中△刀为滑块上挡光片的宽度，加为数字计时器显示的挡光片经过光电门

的时间。

(2)实验过程

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

已知质量的物块来改变碰撞物体的质量。

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，撞针插人橡皮泥中，使两滑块连成一体。

方案二：研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒

让质量为处的A球从斜槽上某一固定位置C处由静止开始滚下，从轨道末端抛出，落到位于水平地面

的复写纸上，在下面的白纸上留下痕迹。再把质量为叱的B球放在水平轨道末端，让A球从位置C处由

静止滚下和B球碰撞后，分别在白纸上留下各自的落点痕迹。由平抛运动知识可知，只要小球下落的高度

相同，飞行时间就相同，由x=可知，小球碰撞前后的速度之比就等于它们的射程之比。

【注意】①入射小球的质量加1大于被碰小球的质量加2(加1＞加2)。

②入射小球的半径等于被碰小球的半径。

③斜槽末端的切线必须水平。

方案三：利用光滑桌面上两车的碰撞验证动量守恒定律

长木板的一端垫有小木块，可以微调木板的倾斜程度，以平衡摩擦力。使两个小车均能在木板上做匀

速直线运动。小车1前端贴有橡皮泥，后端与穿过打点计时器的纸带相连，接通打点计时器电源后，让小

车1以速度VI做匀速直线运动与置于木板上静止的小车2相碰并粘在一起，之后以速度V2继续做匀速直线

运动。

测得小车1（包括橡皮泥）质量为加1，小车2（包括橡皮泥）的质量为机2，若表达式瓶1%=（血1+m2

）成立，则A、B两车碰撞过程动量守恒。

方案四：利用等长的悬线悬挂等大的小球验证动量守恒定律

两个直径相同的小球，用天平测量A、B的质量分别为加|、加2；用两条等长的细线£分别将A、B悬

挂在同一高度，且自然下垂时两球恰好相切；将A球向左拉起，使悬线与竖首方向夹角为。时由静止释放,

与B球碰后，测得A球向左摆到最高点时，其悬线与竖直方向夹角为a,球B向右摆到最高点时，其悬线

与竖直方向夹角为S,实验中角度的测量使用量角器。

若两球碰撞前后动量守恒，取水平向右为正方向，则有表达式爪1%=-爪1次+62。2，小球摆动过程,

机械能守恒，有migL（1—cos0）=jmiVo,m-^gL（1—cosa）=忧,m2gL（l—cos0）=•|62诏

联立解得niiVl—cos8=川2J1—cos8—7nHi—cosa。

【题型1研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒】

【例1】（23-24高一下•四川绵阳•期末）某同学用如图甲所示的装置“验证动量守恒定律”，气垫导轨上放置

着带有遮光板的滑块P和Q。

（1）为了减小实验误差，使用气垫导轨的目的有

A.保证两个滑块碰撞时是一维的

B.喷出的压缩空气减小滑块速度

C.使滑块与导轨不直接接触，减小噪声

D.减小滑块和导轨之间的摩擦力

（2）测得P、Q的质量分别为叫和吗，左、右遮光板的宽度分别为4和当。实验中，使两个滑块之间的

轻弹簧处于压缩状态，并用细线将两个滑块连接，然后烧断细线，轻弹簧将两个滑块弹开，测得它们通过

光电门的时间分别为4、12；用题中测得的物理量表示动量守恒应满足的关系式为（用

。、，2、4、d］、机］、加2表）。

（3）若左、右遮光板的宽度相同，第（2）问中动量守恒应满足的关系式可简化为

（用题中字母表示）

【变式1-1］（2021•辽宁・模拟预测）如图所示，某探究小组用图示装置做“探究碰撞中的不变量”的实验,

图中的气垫导轨由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成。

（1）实验探究小组采用了正确的操作步骤:

①该小组测出了滑块通过两个光电门的挡光时间。已知两滑块上遮光板的宽度相同。滑块1通过光电门1

的挡光时间为幽，通过光电门2的挡光时间为公马，滑块2通过光电门2的挡光时间为加3；

②测得滑块1的质量为外，滑块2（包括弹簧）的质量为加.

（2）数据处理与实验结论：

①实验中采用气垫导轨的原因是;

②本实验探究滑块碰撞前后动量是否守恒，其验证等式为O

（3）另一实验探究小组采用了上一小组的装置，并采用了新的方式做“探究碰撞中的不变量”的实验。如图

所示，两个滑块用细线连接且静止，中间有一个压缩到最短的轻质弹簧。烧断细线，轻弹簧将两个滑块弹

开，测得它们通过光电门的时间分别为小t2Q滑块1的质量为叫，滑块2的质量为叫，则动量守恒应满

足的关系式为.

光电门

【变式1-2]（23-24高二下•陕西渭南•期末）某学习小组采用图甲所示的装置验证滑块碰撞过程中的动量守

恒。

（1）用天平测得滑块A、B（均包括挡光片）的质量分别为多、%；

（2）用游标卡尺测得固定在滑块A、B上的挡光片的宽度为出

（3）为了将气垫导轨调节为水平状态，在接通充气泵电源后，导轨左侧放一滑块并推动滑块，滑块通过两

个光电门时，与光电门1、2相连的计时器测得的挡光时间分别为0.07s、0.06s,则应将导轨右端

（选填“调高”或“调低”），直至滑块通过两个光电门两个计时器显示的时间相等；

（4）滑块B放在两个光电门之间，滑块A向左挤压导轨架上的弹片后释放滑块A,碰后滑块A、B均一直

向右运动。与光电门1相连的计时器的示数只有一个，为J与光电门2相连的计时器的示数有两个，先后

为％、h，则碰后滑块A的速度大小为（用测得的物理量表示）；

（5）在实验误差允许范围内，若表达式（用测得的物理量表示）成立，则说明滑块A、B碰撞过

程中动量守恒。

【变式1-3]（23-24高一下•吉林白城•阶段练习）物理小组利用频闪照相和气垫导轨做“验证动量守恒定律”

的试验。步骤如下：

①用天平测出滑块A、B的质量分别为300g和200g

②安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；

③向气垫导轨通入压缩空气；

④把A、B两滑块放到导轨上，并给他们一个初速度，同时开始闪光照相，闪光的时间间隔设定为

AZ=0.2so照片如图：该组同学结合实验过程和图像分析知：该图像是闪光4次摄得的照片，在这4次闪光

的瞬间，A、B两滑块均在。〜80cm刻度范围内；第一次闪光时，滑块B恰好通过x=55cm处，滑块A恰

好通过x=70cm处；碰撞后有一个物体处于静止状态。请问：

01020304050607080/

111[▲]]:xcm

八八八八八八

[B[B[B|BA]A|

//////////////////////////////////////////////////////////

（1）以上情况说明碰后（选填A或B）物体静止

（2）设向右为正方向，试分析碰撞前A的速度为m/s,碰前B的速度为m/s,两滑块

总动量之和大小是kg-m/s,碰撞后两滑块的总动量之和大小是kg-m/s,以上实验结果

说明在误差允许范围内碰撞过程动量守恒。

【题型2研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒】

【例2】（24-25高二上•黑龙江•开学考试）某实验小组采用如图甲所示的实验装置来完成“验证动量守恒定

律实验”，用天平测得A、B球的质量分别为网和%，。点是轨道末端在白纸上的投影点，M、P、N为三

个落点的平均位置，测出P、N与。的距离，如图乙所示。

（1）实验时A球的质量一定要大于B球的质量的原因是

（2）为正确完成本实验，A球每次（填“需要”或“不需要”）从同一位置由静止释放，斜槽（填“需

要”或“不需要”）确保光滑。

（3）某次实验时测得A、B球的质量之比叫：加2=2:1,则在实验误差允许范围内，当关系式s?=（用

S］、S3表示）成立时，可证明两球碰撞时动量守恒。

【变式2-1］（23-24高一下•河南南阳•期末）某同学用如图所示的装置研究小球碰撞过程的动量守恒：水平

桌面上固定末端水平的斜槽，斜面体固定在水平地面上，斜槽末端与斜面体顶端等高且无缝对接，进行如

下操作（不计空气阻力的影响）：

，/////////////〃/////////////////////////〃〃/

a.先让质量为犯的小球1从斜槽上适当高度由静止释放，从末端平抛后落在斜面体上，记录落点位置尸以

及从斜槽末端水平飞出至尸点的时间为%;

b.再将质量为吗（叫〉吗）的小球2静置于斜槽末端，让小球1再次从斜槽由静止滑下，碰后两球均落在斜

面体上，分别记录小球1、2落点位置N、N以及从斜槽末端水平飞出至M、N点的时间为。、/2。

回答下列问题：

（1）为完成实验，小球1、2的直径应满足4d2,步骤b中小球1再次释放的高度应_____步骤a

中释放的高度（均选填“大于”“等于”或“小于”）；

（2）为验证动量守恒定律，需验证等式成立即可（用题中所给字母表示）。

【变式2-2］（23-24高一下•四川凉山・期末）如图所示，用下面实验器材可以验证两个小球碰撞前后的动量

是否守恒。图中。点是小球抛出点在地面上的垂直投影，尸、N三点是小球地面上的平均落点。

（1）为完成这个实验，除了测出小球的质量外，还需要测量—；（填选项前的编号）

A.小球抛出点距地面的高度〃

B.小球开始释放高度力

C.从两小球相碰到两球落地的时间t

D.小球加/单独滚下时做平抛运动的水平距离和两小球如、％2碰撞后各自飞出的水平距离

（2）下列说法正确的是_；（填选项前的编号）

A.该实验无需调节斜槽轨道末端的切线水平

B.实验选取的小球一定是两个半径相等，质量不等的小球

C.应该选质量小的小球作为入射小球

D.如果每次入射小球都从同一高度静止释放，那落点应该在同一点，所以只需做一次实验就可确定落点

从而测出水平位移

（3）学生在实验中，完成实验记录数据如下表所示

mi/gWj/gOM/cmON/cmOP/cm

20.010.010.1040.0230.15

为了达到“验证动量守恒”的实验目的，需要验证的表达式为（用上述表格中的物理量符

号表示）。根据上表中的实验数据，可得到的实验结论是o

【变式2-3］（23-24高二下•安徽•阶段练习）实验小组用如图甲所示装置来验证两个小球在斜槽末端碰撞时

的动量守恒。A、8为两个直径相同的小球，质量分别为网、啊，且叫〉加2。实验时，接球板水平放置,

让入射小球A多次从斜轨上E点静止释放，平均落点为勺；现把被碰小球8静放在斜槽末端，再将入射小

球A,从斜轨上E点位置静止释放，与小球8相撞，并多次重复，分别记录两个小球碰后的平均落点

$

（1）为了确保两小球在空中运动时间相同，实验前必须调节;如何操作：

（2）某同学认为若叫〈丐，同样也能很好的验证“动量守恒定律”，你认为该同学的观点（选填“正

确”或“错误”）；

（3）图甲中。点为斜槽末端在接球板上的投影点，实验中，测出。加;、。<、0M的长度分别为不、%、

无3,若两球碰撞时动量守恒，则满足的表达式为；（用题中给定的或测量的物理量符号表示）

（4）图乙中，仅改变接球板的放置，把接球板竖放在斜槽末端的右侧，。点为碰前8球球心在接球板上的

投影点。使小球A仍从斜槽上E点由静止释放，重复上述操作，在接球板上得到三个落点〃2、Pz、N〉

测出加2、。鸟、长度分别为乂、%、力，若两球碰撞时动量守恒，则满足的表达式为（用题

中给定的或测量的物理量表示）；若两球碰撞为弹性碰撞，则满足的表达式为（用耳、力、力表

示）。

【题型3利用光滑桌面上两车的碰撞验证动量守恒定律】

【例3】（22-23高三上•四川雅安•阶段练习）天立的同学借助图所示装置验证动量守恒定律，长木板的一

端垫有小木块，可以微调木板的倾斜程度，以平衡摩擦力，使两个小车均能在木板上做匀速直线运动。小

车1前端贴有橡皮泥，后端与穿过打点计时器的纸带相连，接通打点计时器电源后，让小车1以某速度做匀

速直线运动，与置于木板上静止的小车2相碰并粘在一起，之后继续做匀速直线运动。打点计时器电源频率

为50Hz,得到的纸带如图所示，已将各计数点之间的距离标在图上。

橡皮泥

小车打点计时器

长木板

2

,纸带

/////////////////////////////////////////////////////////////

小木块

（1）图中的数据有48、BC、CD,四段，计算小车1碰撞前的速度大小%=m/s,计算两

车碰撞后的速度大小应选段。

BCBE

1<11.00，1'17.1213.75T1L4OHCM

（2）若小车1的质量（含橡皮泥）为0.4kg,小车2的质量为02kg,根据纸带数据，两小车碰前的总动量

kg-m/s,碰后两小车总动量_________kg-m/s,（结果保留三位有效数字）。你认为出现此结果的原因可

能是O

（3）关于实验的操作与反思，下述说法正确的是o

A.实验中小车1必须从静止释放

B.若小车1前端没贴橡皮泥，不影响实验验证

C.上述实验装置不能验证弹性碰撞规律

D.上述实验装置能验证弹性碰撞规律

（4）如果在测量小车1的质量时，忘记粘橡皮泥，则所测系统碰前的动量与系统碰后的动量相比，将

（填“偏大’或“偏小”或“相等”）o

【变式3-11（23-24高二下•四川泸州•期末）某实验小组利用桌面上的实验装置完成以下两次探究实验。

（1）将打点周期7=0.02s的打点计时器固定在长木板的左端，将木板左端垫高使得小车在木板上恰能做匀

速直线运动。

纸带穿过打点计时器，连在小车的后面，在小车B的碰撞端装有橡皮泥，如图甲所示。用天平测得小车A

的质量加/=0.50kg,小车B（包括橡皮泥）的质量加B=0.25kg。

给小车A向右的初速度使之与小车B碰撞，碰撞后两车连接成一个整体，纸带打出的点迹如图乙所示，若

已知0〜2之间的间距X/=2.00cm,5〜7之间的间距刈=1.28cm,则碰撞前两小车的总动量”为

kg-m/s,碰撞后两小车的总动量pz为kg.m/s,若在误差允许范围内二者相等，则说明碰撞过程满足动

量守恒定律。（结果保留2位小数）。

（2）如图丙所示，将小车B撤下去，在小车A右端安装拉力传感器，轻绳左端系在拉力传感器上，右端通

过定滑轮下端连着祛码和祛码盘，小车在运动过程中，拉力传感器的读数为尸，小车左端打出的纸带如图丁

所示，该图中若已知0〜2之间的间距刈，5〜7之间的间距X"小车A（含拉力传感器）的质量为%,若满

足公式（用/、X3、羽、7、加表示）则动量定理得以验证。

【变式3-2］（22-23高三上•江苏扬州•期中）某小组用如图1所示的装置验证动量守恒定律。

夕撞针橡思泥尸打点计时器

长木板\-\nZ一

图1

（1）关于橡皮泥在本实验中的作用，下列说法正确的是

A.改变小车的质量

B.在两车碰撞时起到缓冲作用，防止撞坏小车

C.若在两个小车的碰撞端分别贴上尼龙搭扣（魔术贴），可起到相同的作用

（2）关于实验的操作，下列说法正确的是

A.实验前应微调木板的倾斜程度，使小车P能静止在木板上

B.接通打点计时器电源后，应将小车P由静止释放

C.与小车P碰撞前，小车Q应静止在木板上的适当位置

D.加祛码以改变小车质量再次实验，必须再次调整木板倾角

（3）打点计时器每隔0.02s打一次点，实验得到的一条纸带如图2所示，已将各计数点之间的距离标在图

上。则小车尸碰撞前的速度为m/so（计算结果保留三位有效数字）

~A5C~DE

<-----------X----------------►<-----------><--------A

x=12.18cmx2=16.26cmx3=12.35cmx4=10.80cm

图2

（4）测得小车P的总质量为机，小车Q的总质量为啊，图2中48、BC、CD、DE四段长度分别为多、

马、工、匕,为了验证动量守恒定律，需要验证的表达式是o（用题中所给物理量符号表示）

（5）某同学发现系统碰后动量的测量值总是大于碰前动量的测量值，可能的原因是o（写

出一条即可）

【变式3-3］（2024・江苏•二模）如图所示，某实验小组用轨道和两辆相同规格的小车验证动量守恒定律。

该小组首先通过实验验证了小车在水平轨道上运动所受阻力正比于小车重力，然后验证动量守恒定律实验

步骤如下：

破码占吕占占彩卷尺水平轨道

>

①在小车上适当放置祛码，分别测量甲车总质量四和乙车总质量m2；

②将卷尺固定在水平轨道侧面，零刻度与水平轨道左端对齐。先不放乙车，让甲车多次从倾斜轨道上挡板

位置由静止释放，记录甲车停止后车尾对应刻度，求出其平均值劭；

③将乙车静止放在轨道上，设定每次开始碰撞位置如图所示，此时甲车车尾与水平轨道左端刚好对齐，测

出甲车总长度（含弹簧）心由挡板位置静止释放甲车，记录甲车和乙车停止后车尾对应刻度，多次重复实

验求出其对应平均值X/和X2；

④改变小车上祛码个数，重复①、②、③步骤。

（1）由图可知得L=cm；

（2）实验中，在倾斜轨道上设置挡板以保证甲车每次从同一位置静止释放，其原因是；

（3）若本实验所测的物理量符合关系式（用所测物理量的字母表示），则验证了小车碰撞前后动

量守恒；

（4）某同学先把4个50g的祛码全部放在甲车上，然后通过逐次向乙车转移一个祛码的方法来改变两车质

量进行实验，若每组质量只采集一组位置数据，则该同学最多能采集组有效数据；

（5）实验小组通过分析实验数据发现，碰撞前瞬间甲车的动量总是比碰撞后瞬间两车的总动量略大，原因

是_。

A.碰撞过程中弹簧上有机械能损失

B.两车间相互作用力冲量大小不等

C.碰撞过程中阻力对两小车有冲量

【题型4利用等长的悬线悬挂等大的小球验证动量守恒定律】

【例4】（23-24高二下•河北•开学考试）某实验小组利用如图所示的实验装置验证动量守恒定律。实验的

主要步骤如下：

①用天平测得小球A、B的质量分别为%、m2

②用两条细线分别将球A、B悬挂于同-水平高度，且自然下垂时两球恰好相切，球心位于同一水平线上；

③将球A向左拉起使其悬线与竖直方向的夹角为a时由静止释放，与球B碰撞后，测得球A向左摆到最高

点时其悬线与竖直方向的夹角为4,球B向右摆到最高点时其悬线与竖直方向的夹角为为。

回答下列问题：

（1）此实验中（选填“需要”或“不需要”）测量轻绳的长度L；

（2）为保证A碰撞后向左摆动，则A、B两球质量应满足机Im2（填或“="）.

（3）若两球碰撞前后动量守恒，贝1]置=（用③中测量的量表示）。

【变式4-1]（23-24高三上•黑龙江哈尔滨•期中）用如图甲所示的装置验证“水平方向动量守恒”。

1-COSP

实验步骤如下:

（1）用绳子将质量为机A和叫的小球A和B悬挂在天花板上，两绳长相等；两球静止时，悬线竖直；

（2）在A、B两球之间放入少量炸药（不计炸药质量），引爆炸药，两球反方向摆起，用量角器记录两球

偏离竖直方向的最大夹角分别为尸；

（3）多次改变炸药的量，使得小球摆起的最大角度发生变化，记录多组夕、夕值，以l-cosa为纵