高中物理 第十六章 第1節(jié) 實(shí)驗(yàn) 探究碰撞中的不變量課件 新人教版選修35

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1、第第十十六六章章第第1節(jié)節(jié)實(shí)驗(yàn)理論實(shí)驗(yàn)理論指導(dǎo)指導(dǎo)典題案例典題案例導(dǎo)析導(dǎo)析智能演練智能演練提升提升 題型一題型一題型二題型二題型三題型三一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?1)明確探究碰撞中的不變量的基本思路。明確探究碰撞中的不變量的基本思路。(2)探究一維碰撞中的不變量。探究一維碰撞中的不變量。2設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案方案一利用氣墊導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)一維碰撞。方案一利用氣墊導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)一維碰撞。實(shí)驗(yàn)裝置如圖實(shí)驗(yàn)裝置如圖1611所示。所示。圖圖1611 (4)不同碰撞情況的實(shí)現(xiàn)：不同碰撞情況的實(shí)現(xiàn)： 用細(xì)線將彈簧片壓縮，放置于兩個(gè)滑塊之間，并使用細(xì)線將彈簧片壓縮，放置于兩個(gè)滑塊之間，并使它們靜止，然后燒斷細(xì)線，彈簧片彈開(kāi)后

2、落下，兩個(gè)滑塊它們靜止，然后燒斷細(xì)線，彈簧片彈開(kāi)后落下，兩個(gè)滑塊隨即向相反方向運(yùn)動(dòng)隨即向相反方向運(yùn)動(dòng)(圖圖1612甲甲)。 在兩滑塊相碰的端面裝上彈性碰撞架可以得到能量在兩滑塊相碰的端面裝上彈性碰撞架可以得到能量損失很小的碰撞損失很小的碰撞(圖圖1612乙乙)。 在兩個(gè)滑塊的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥，碰撞在兩個(gè)滑塊的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥，碰撞時(shí)撞針插入橡皮泥中，把兩個(gè)滑塊連成一體運(yùn)動(dòng)，這樣可時(shí)撞針插入橡皮泥中，把兩個(gè)滑塊連成一體運(yùn)動(dòng)，這樣可以得到能量損失很大的碰撞以得到能量損失很大的碰撞(圖圖1612丙丙)。圖圖1612 方案二利用等長(zhǎng)懸線懸掛等大的小球?qū)崿F(xiàn)一維碰撞。方案二利用等長(zhǎng)懸線

3、懸掛等大的小球?qū)崿F(xiàn)一維碰撞。 實(shí)驗(yàn)裝置如圖實(shí)驗(yàn)裝置如圖1613所示。所示。 (1)質(zhì)量的測(cè)量：用天平測(cè)量小球質(zhì)量質(zhì)量的測(cè)量：用天平測(cè)量小球質(zhì)量m1、m2。 (2)速度的測(cè)量：可以測(cè)量小球被拉起的速度的測(cè)量：可以測(cè)量小球被拉起的角度，根據(jù)機(jī)械能守恒定律算出小球碰撞前角度，根據(jù)機(jī)械能守恒定律算出小球碰撞前對(duì)應(yīng)的速度對(duì)應(yīng)的速度v1；測(cè)量碰撞后兩小球分別擺起；測(cè)量碰撞后兩小球分別擺起的對(duì)應(yīng)角度，根據(jù)機(jī)械能守恒定律算出碰撞后對(duì)應(yīng)的兩小球的對(duì)應(yīng)角度，根據(jù)機(jī)械能守恒定律算出碰撞后對(duì)應(yīng)的兩小球的速度的速度v1、v2。圖圖1613圖圖1614 三、實(shí)驗(yàn)器材三、實(shí)驗(yàn)器材 方案一方案一 氣墊導(dǎo)軌、光電計(jì)時(shí)器、天平、

4、滑塊兩個(gè)氣墊導(dǎo)軌、光電計(jì)時(shí)器、天平、滑塊兩個(gè)(帶擋光片帶擋光片)、重物、彈簧片、細(xì)繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥。重物、彈簧片、細(xì)繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥。 方案二方案二 帶細(xì)線的小球帶細(xì)線的小球(兩套兩套)、鐵架臺(tái)、天平、量角器、坐標(biāo)紙、鐵架臺(tái)、天平、量角器、坐標(biāo)紙、膠布等。膠布等。 方案三方案三 光滑長(zhǎng)木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、小車(chē)光滑長(zhǎng)木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、小車(chē)(兩個(gè)兩個(gè))、天平、天平、撞針、橡皮泥。撞針、橡皮泥。 四、實(shí)驗(yàn)步驟四、實(shí)驗(yàn)步驟 不論采用哪種方案，實(shí)驗(yàn)過(guò)程均可按實(shí)驗(yàn)方案合理不論采用哪種方案，實(shí)驗(yàn)過(guò)程均可按實(shí)驗(yàn)方案合理安排，參考步驟如下：安排，參考步驟如下： (1

5、)用天平測(cè)量?jī)苫瑝K的質(zhì)量用天平測(cè)量?jī)苫瑝K的質(zhì)量m1、m2，填入預(yù)先設(shè)計(jì)，填入預(yù)先設(shè)計(jì)好的表格中。好的表格中。 (2)安裝實(shí)驗(yàn)裝置。安裝實(shí)驗(yàn)裝置。 (3)使物體發(fā)生碰撞。使物體發(fā)生碰撞。 (4)測(cè)量或讀出相關(guān)物理量，計(jì)算有關(guān)速度，填入預(yù)測(cè)量或讀出相關(guān)物理量，計(jì)算有關(guān)速度，填入預(yù)先設(shè)計(jì)好的表格中。先設(shè)計(jì)好的表格中。 (5)改變碰撞條件，重復(fù)步驟改變碰撞條件，重復(fù)步驟(3)、(4)。 (6)整理實(shí)驗(yàn)器材。整理實(shí)驗(yàn)器材。 五、注意事項(xiàng)五、注意事項(xiàng) (1)各方案必須保證兩物體發(fā)生的是一維碰撞。各方案必須保證兩物體發(fā)生的是一維碰撞。 (2)氣墊導(dǎo)軌是一種精度較高的現(xiàn)代化教學(xué)儀器。切忌氣墊導(dǎo)軌是一種精度較高

6、的現(xiàn)代化教學(xué)儀器。切忌振動(dòng)、重壓，嚴(yán)防碰傷和劃傷，絕對(duì)禁止在不通氣的情況振動(dòng)、重壓，嚴(yán)防碰傷和劃傷，絕對(duì)禁止在不通氣的情況下將滑行器在軌面上滑磨。調(diào)整水平時(shí)注意利用水平儀。下將滑行器在軌面上滑磨。調(diào)整水平時(shí)注意利用水平儀。 (3)利用擺球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩小球靜止時(shí)球心應(yīng)在同一利用擺球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩小球靜止時(shí)球心應(yīng)在同一水平線上且剛好接觸，擺線豎直，將小球拉起后，兩條擺水平線上且剛好接觸，擺線豎直，將小球拉起后，兩條擺線應(yīng)在同一豎直面內(nèi)，為了較準(zhǔn)確的讀出小球擺動(dòng)的角度，線應(yīng)在同一豎直面內(nèi)，為了較準(zhǔn)確的讀出小球擺動(dòng)的角度，可以將實(shí)驗(yàn)儀器靠在一個(gè)大型的量角器上?？梢詫?shí)驗(yàn)儀器靠在一個(gè)大型的量角器上。

7、(4)由于碰撞的情形很多，猜想的不變量只有在各種方由于碰撞的情形很多，猜想的不變量只有在各種方案中都不變才能符合要求，成為實(shí)驗(yàn)結(jié)論。案中都不變才能符合要求，成為實(shí)驗(yàn)結(jié)論。 (5)考慮到速度的矢量性，記錄數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)規(guī)定正方向?？紤]到速度的矢量性，記錄數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)規(guī)定正方向。若速度方向與規(guī)定的正方向相同，則速度取正值，若速度若速度方向與規(guī)定的正方向相同，則速度取正值，若速度方向與規(guī)定方向相反，則取負(fù)值。方向與規(guī)定方向相反，則取負(fù)值。 六、數(shù)據(jù)處理六、數(shù)據(jù)處理 根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，如下表所示，找出碰撞中的根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，如下表所示，找出碰撞中的“不不變量變量”。 七、誤差分析七、誤差分析 1系統(tǒng)誤差系

8、統(tǒng)誤差 (1)碰撞是否為一維碰撞，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)保證碰撞為一維碰撞是否為一維碰撞，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)保證碰撞為一維碰撞。碰撞。 (2)碰撞中其他力碰撞中其他力(例如：摩擦力、空氣阻力等例如：摩擦力、空氣阻力等)的影響帶來(lái)的的影響帶來(lái)的誤差。實(shí)驗(yàn)中要合理控制實(shí)驗(yàn)條件，避免除碰撞時(shí)相互作用力外誤差。實(shí)驗(yàn)中要合理控制實(shí)驗(yàn)條件，避免除碰撞時(shí)相互作用力外的其他力影響物體速度。的其他力影響物體速度。 2偶然誤差偶然誤差 測(cè)量和讀數(shù)的準(zhǔn)確性帶來(lái)的誤差，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)規(guī)范測(cè)量和讀數(shù)，測(cè)量和讀數(shù)的準(zhǔn)確性帶來(lái)的誤差，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)規(guī)范測(cè)量和讀數(shù)，同時(shí)增加測(cè)量次數(shù)，取平均值，盡量減小偶然誤差的影響。同時(shí)增加測(cè)量次數(shù)，取平均值，

9、盡量減小偶然誤差的影響。圖圖1615據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由兩球落地點(diǎn)距拋出點(diǎn)的水平距離據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由兩球落地點(diǎn)距拋出點(diǎn)的水平距離xvt，知兩物體水平速度之比等于它們的射程之比，即知兩物體水平速度之比等于它們的射程之比，即v1 v2x1 x2，所以本實(shí)驗(yàn)中只需測(cè)量，所以本實(shí)驗(yàn)中只需測(cè)量x1、x2即可，測(cè)量即可，測(cè)量x1、x2時(shí)時(shí)需準(zhǔn)確記下兩球落地位置，故需要直尺、紙、復(fù)寫(xiě)紙、圖需準(zhǔn)確記下兩球落地位置，故需要直尺、紙、復(fù)寫(xiě)紙、圖釘、細(xì)線、鉛錘、木板等。釘、細(xì)線、鉛錘、木板等。 分析實(shí)驗(yàn)中測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證關(guān)系式分析實(shí)驗(yàn)中測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證關(guān)系式m1x1m2x2是否成立。是否成立。 方案二：實(shí)驗(yàn)

10、裝置如圖方案二：實(shí)驗(yàn)裝置如圖1616所示，所示，讓一個(gè)質(zhì)量較大的小球讓一個(gè)質(zhì)量較大的小球m1從斜槽上滾下來(lái)，從斜槽上滾下來(lái)，跟放在斜槽末端的另一質(zhì)量較小的小球跟放在斜槽末端的另一質(zhì)量較小的小球(半半徑相同徑相同)m2發(fā)生碰撞發(fā)生碰撞(正碰正碰)。 小球的質(zhì)量可以用天平稱出。由方案小球的質(zhì)量可以用天平稱出。由方案一中的分析可知它們飛行的水平距離一中的分析可知它們飛行的水平距離xvt與小球開(kāi)始做與小球開(kāi)始做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)的水平速度平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)的水平速度v成正比。成正比。圖圖1616圖圖1617 例例1在利用懸線懸掛等大小球探究碰撞中的不變?cè)诶脩揖€懸掛等大小球探究碰撞中的不變量的實(shí)驗(yàn)中，下列說(shuō)法正確的是

11、量的實(shí)驗(yàn)中，下列說(shuō)法正確的是 () A懸掛兩球的細(xì)繩長(zhǎng)度要適當(dāng)，且等長(zhǎng)懸掛兩球的細(xì)繩長(zhǎng)度要適當(dāng)，且等長(zhǎng) B由靜止釋放小球，以便較準(zhǔn)確計(jì)算小球碰前速度由靜止釋放小球，以便較準(zhǔn)確計(jì)算小球碰前速度 C兩小球必須都是鋼性球，且質(zhì)量相同兩小球必須都是鋼性球，且質(zhì)量相同 D兩小球碰后可以粘在一起共同運(yùn)動(dòng)兩小球碰后可以粘在一起共同運(yùn)動(dòng)答案答案ABD 例例2某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證碰撞過(guò)某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證碰撞過(guò)程中的不變量的實(shí)驗(yàn)：在小車(chē)程中的不變量的實(shí)驗(yàn)：在小車(chē)A的前端粘有橡皮泥，使小的前端粘有橡皮泥，使小車(chē)車(chē)A做勻速直線運(yùn)動(dòng)。然后與原來(lái)靜止在前方的小車(chē)做勻速直線運(yùn)動(dòng)。然后與原來(lái)靜止在前

12、方的小車(chē)B相相碰并黏合成一體，繼續(xù)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，他設(shè)計(jì)的具體裝碰并黏合成一體，繼續(xù)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，他設(shè)計(jì)的具體裝置如圖置如圖1618所示。在小車(chē)所示。在小車(chē)A后連著紙帶，電磁打點(diǎn)計(jì)后連著紙帶，電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源頻率為時(shí)器電源頻率為50 Hz，長(zhǎng)木板右端下部墊著小木片，長(zhǎng)木板右端下部墊著小木片(圖中圖中未畫(huà)出未畫(huà)出)用以平衡摩擦力。用以平衡摩擦力。圖圖1618 (1)若已得到打點(diǎn)紙帶如圖若已得到打點(diǎn)紙帶如圖1619所示，并把測(cè)得的所示，并把測(cè)得的各計(jì)數(shù)點(diǎn)間距離標(biāo)在圖上，各計(jì)數(shù)點(diǎn)間距離標(biāo)在圖上，A點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)起始的第一點(diǎn)，則應(yīng)點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)起始的第一點(diǎn)，則應(yīng)選選_段來(lái)計(jì)算小車(chē)段來(lái)計(jì)算小車(chē)A的碰前速度，應(yīng)選

13、的碰前速度，應(yīng)選_段來(lái)段來(lái)計(jì)算小車(chē)計(jì)算小車(chē)A和小車(chē)和小車(chē)B碰后的共同速度。碰后的共同速度。(以上兩空選填以上兩空選填“AB”、“BC”、“CD”或或“DE”)圖圖1619 (2)已測(cè)得小車(chē)已測(cè)得小車(chē)A的質(zhì)量的質(zhì)量mA0.40 kg，小車(chē)，小車(chē)B的質(zhì)量的質(zhì)量mB0.20 kg，由以上測(cè)量結(jié)果可得：碰前，由以上測(cè)量結(jié)果可得：碰前mAvAmBvB_kgm/s；碰后；碰后mAvAmBvB_kgm/s。 解析解析(1)小車(chē)小車(chē)A碰前做勻速直線運(yùn)動(dòng)，打出紙帶上的碰前做勻速直線運(yùn)動(dòng)，打出紙帶上的點(diǎn)應(yīng)該是間距均勻的，故計(jì)算小車(chē)碰前速度應(yīng)選點(diǎn)應(yīng)該是間距均勻的，故計(jì)算小車(chē)碰前速度應(yīng)選BC段；段；CD段上所打的點(diǎn)由

14、稀變密，可見(jiàn)在段上所打的點(diǎn)由稀變密，可見(jiàn)在CD段段A、B兩小車(chē)相互碰撞，兩小車(chē)相互碰撞，A、B碰撞后一起做勻速直線運(yùn)動(dòng)，所以打出的點(diǎn)又是間距碰撞后一起做勻速直線運(yùn)動(dòng)，所以打出的點(diǎn)又是間距均勻的，故應(yīng)選均勻的，故應(yīng)選DE段計(jì)算碰后速度。段計(jì)算碰后速度。 答案答案(1)BCDE(2)0.420.417 例例3用如圖用如圖16110所示的裝置所示的裝置“探究探究碰撞中的不變量碰撞中的不變量”，質(zhì)量為，質(zhì)量為mA的鋼球的鋼球A用細(xì)線用細(xì)線懸掛于懸掛于O點(diǎn)，質(zhì)量為點(diǎn)，質(zhì)量為mB的鋼球的鋼球B放在離地面高放在離地面高度為度為H的小柱的小柱N上，上，O點(diǎn)到點(diǎn)到A球球心的距離為球球心的距離為L(zhǎng)，使懸線在使懸線

15、在A球釋放前張緊，懸線與豎直線的夾球釋放前張緊，懸線與豎直線的夾角為角為。A球釋放后擺到最低點(diǎn)時(shí)恰與球釋放后擺到最低點(diǎn)時(shí)恰與B球正碰，碰撞后，球正碰，碰撞后，A球把輕質(zhì)指示針球把輕質(zhì)指示針OC推移到與豎直線夾角為推移到與豎直線夾角為處，處，B球落到地球落到地面上，地面上鋪一張蓋有復(fù)寫(xiě)紙的白紙面上，地面上鋪一張蓋有復(fù)寫(xiě)紙的白紙D。保持。保持角度不變，角度不變，多次重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，白紙上記錄下多個(gè)多次重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，白紙上記錄下多個(gè)B球的落點(diǎn)。球的落點(diǎn)。圖圖16110 (1)在圖中在圖中x應(yīng)是應(yīng)是B球初始位置到球初始位置到_的水平距離。的水平距離。 (2)為了為了“探究碰撞中的不變量探究碰撞中的不變量”，應(yīng)測(cè)得，應(yīng)測(cè)得_、_、_、_、_、_、_等物理量。等物理量。 (3)碰撞中若碰撞中若A、B滿足滿足_等式，說(shuō)明在等式，說(shuō)明在碰撞中碰撞中“mv”是不變的。是不變的。