【步步高】2020年高考物理大一輪 實驗十六 驗證動量守恒定律 新人教版選修3-5

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1、實驗十六　驗證動量守恒定律 一、實驗原理 在一維碰撞中，測出物體的質(zhì)量m和碰撞前后物體的速度v、v′，找出碰撞前的動量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的動量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前后動量是否守恒． 二、實驗器材 方案一：氣墊導軌、光電計時器、天平、滑塊(兩個)、重物、彈簧片、細繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等． 方案二：帶細線的擺球(兩套)、鐵架臺、天平、量角器、坐標紙、膠布等． 方案三：光滑長木板、打點計時器、紙帶、小車(兩個)、天平、撞針、橡皮泥． 方法四：斜槽、小球(兩個)、天平、復寫紙、白紙等． 三、實驗步驟 方案一：利用氣墊導軌完成一維碰撞實驗

2、 (1)測質(zhì)量：用天平測出滑塊質(zhì)量． (2)安裝：正確安裝好氣墊導軌． (3)實驗：接通電源，利用配套的光電計時裝置測出兩滑塊各種情況下(①改變滑塊的質(zhì)量．②改變滑塊的初速度大小和方向)碰撞前后的速度． (4)驗證：一維碰撞中的動量守恒． 方案二：利用等長懸線懸掛等大小球完成一維碰撞實驗 (1)測質(zhì)量：用天平測出兩小球的質(zhì)量m1、m2. (2)安裝：把兩個等大小球用等長懸線懸掛起來． (3)實驗：一個小球靜止，拉起另一個小球，放下時它們相碰． (4)測速度：可以測量小球被拉起的角度，從而算出碰撞前對應小球的速度，測量碰撞后小球擺起的角度，算出碰撞后對應小球的速度． (5)改

3、變條件：改變碰撞條件，重復實驗． (6)驗證：一維碰撞中的動量守恒． 方案三：在光滑桌面上兩車碰撞完成一維碰撞實驗 (1)測質(zhì)量：用天平測出兩小車的質(zhì)量． (2)安裝：將打點計時器固定在光滑長木板的一端，把紙帶穿過打點計時器，連在小車的后面，在兩小車的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥． (3)實驗：接通電源，讓小車A運動，小車B靜止，兩車碰撞時撞針插入橡皮泥中，把兩小車連接成一體運動． (4)測速度：通過紙帶上兩計數(shù)點間的距離及時間由v＝算出速度． (5)改變條件：改變碰撞條件，重復實驗． (6)驗證：一維碰撞中的動量守恒． 方法四：利用斜槽上滾下的小球驗證動量守恒定律 (1)用

4、天平測出兩小球的質(zhì)量，并選定質(zhì)量大的小球為入射小球． 圖1 (2)按照圖1所示安裝實驗裝置．調(diào)整、固定斜槽使斜槽底端水平． (3)白紙在下，復寫紙在上且在適當位置鋪放好．記下重垂線所指的位置O. (4)不放被撞小球，讓入射小球從斜槽上某固定高度處自由滾下，重復10次．用圓規(guī)畫盡量小的圓把小球所有的落點都圈在里面．圓心P就是小球落點的平均位置． 圖2 (5)把被撞小球放在斜槽末端，讓入射小球從斜槽同一 高度自由滾下，使它們發(fā)生碰撞，重復實驗10次．用步 驟(4)的方法，標出碰后入射小球落點的平均位置M和被撞小球落 點的平均位置N.如圖2所示． (6)連接ON，測量線段

5、OP、OM、ON的長度．將測量數(shù)據(jù)填入表中．最后代入m1＝m1＋m2，看在誤差允許的范圍內(nèi)是否成立． (7)整理好實驗器材放回原處． (8)實驗結論：在實驗誤差范圍內(nèi)，碰撞系統(tǒng)的動量守恒． 四、注意事項 1．前提條件：碰撞的兩物體應保證“水平”和“正碰”． 2．方案提醒 (1)若利用氣墊導軌進行實驗，調(diào)整氣墊導軌時，注意利用水平儀確保導軌水平． (2)若利用擺球進行實驗，兩小球靜放時球心應在同一水平線上，用等長懸線懸掛后兩小球剛好接觸，擺線豎直，將小球拉起后，兩條擺線應在同一豎直面內(nèi)． (3)若利用長木板進行實驗，可在長木板下墊一小木片用以平衡摩擦力． (4)若利用斜槽進行實

6、驗，入射球質(zhì)量要大于被碰球質(zhì)量，即：m1>m2，防止碰后m1被反彈． 3．探究結論：尋找的不變量必須在各種碰撞情況下都不改變． 考點一　利用氣墊導軌驗證動量守恒定律 典例剖析 例1　某同學利用打點計時器和氣墊導軌做驗證動量守恒定律的實驗，氣墊導軌裝置如圖3甲所示，所用的氣墊導軌裝置由導軌、滑塊、彈射架等組成．在空腔導軌的兩個工作面上均勻分布著一定數(shù)量的小孔，向?qū)к壙涨粌?nèi)不斷通入壓縮空氣，空氣會從小孔中噴出，使滑塊穩(wěn)定地漂浮在導軌上，這樣就大大減小了因滑塊和導軌之間的摩擦而引起的誤差． 圖3 (1)下面是實驗的主要步驟： ①安裝好氣墊導軌，調(diào)節(jié)氣墊導軌的調(diào)節(jié)旋鈕，使導軌

7、水平； ②向氣墊導軌通入壓縮空氣； ③把打點計時器固定在緊靠氣墊導軌左端彈射架的外側，將紙帶穿過打點計時器和彈射架并固定在滑塊1的左端，調(diào)節(jié)打點計時器的高度，直至滑塊拖著紙帶移動時，紙帶始終在水平方向； ④使滑塊1擠壓導軌左端彈射架上的橡皮繩； ⑤把滑塊2放在氣墊導軌的中間，已知碰后兩滑塊一起運動； ⑥先____________，然后__________，讓滑塊帶動紙帶一起運動； ⑦取下紙帶，重復步驟④⑤⑥，選出較理想的紙帶如圖乙所示； ⑧測得滑塊1(包括撞針)的質(zhì)量310 g，滑塊2(包括橡皮泥)的質(zhì)量為205 g. 試著完善實驗步驟⑥的內(nèi)容． (2)已知打點計時器每隔0.

8、02 s打一個點，計算可知兩滑塊相互作用前質(zhì)量與速度的乘積 之和為____ kg·m/s；兩滑塊相互作用以后質(zhì)量與速度的乘積之和為______ kg·m/s(保留三位有效數(shù)字) (3)試說明(2)問中兩結果不完全相等的主要原因是__________________________________ ________________________________________________________________________. 考點二　利用平拋運動驗證動量守恒定律 典例剖析 例2　(2020·北京理綜·21(2))如圖4，用“碰撞實驗器”可以驗證動量守恒定律，即研究兩個

9、小球在軌道水平部分碰撞前后的動量關系． 圖4 ①實驗中，直接測定小球碰撞前后的速度是不容易的，但是，可以通過僅測量________(填選項前的符號)，間接地解決這個問題． A．小球開始釋放高度h B．小球拋出點距地面的高度H C．小球做平拋運動的射程 ②圖中O點是小球拋出點在地面上的垂直投影．實驗時，先讓入射球m1多次從斜軌上S位置靜止釋放，找到其平均落地點的位置P，測量平拋射程OP.然后，把被碰小球m2靜置于軌道的水平部分，再將入射球m1從斜軌上S位置靜止釋放，與小球m2相碰，并多次重復． 接下來要完成的必要步驟是________．(填選項前的符號) A．用天平測量兩個小

10、球的質(zhì)量m1、m2 B．測量小球m1開始釋放的高度h C．測量拋出點距地面的高度H D．分別找到m1、m2相碰后平均落地點的位置M、N E．測量平拋射程OM、ON ③若兩球相碰前后的動量守恒，其表達式可表示為________(用②中測量的量表示)；若碰撞是彈性碰撞，那么還應滿足的表達式為__________(用②中測量的量表示)． ④經(jīng)測定，m1＝45.0 g，m2＝7.5 g，小球落地點的平均位置距O點的距離如圖5所示．碰撞前、后m1的動量分別為p1與p1′，則p1∶p1′＝________∶11；若碰撞結束時m2的動量為p2′，則p1′∶p2′＝11∶________.

11、圖5 實驗結果說明，碰撞前、后總動量的比值為________． ⑤有同學認為，在上述實驗中僅更換兩個小球的材質(zhì)，其他條件不變，可以使被碰小球做平拋運動的射程增大，請你用④中已知的數(shù)據(jù)，分析和計算出被碰小球m2平拋運動射程ON的最大值為________cm. 1. 在做“驗證動量守恒定律”實驗時，入射球a的質(zhì)量為m1，被 碰球b的質(zhì)量為m2，小球的半徑為r，各小球的落地點如圖6 所示，下列關于這個實驗的說法正確的是 (　　) 圖6 A．入射球與被碰球最好采用大小相同、質(zhì)量相等的小球 B．讓入射球與被碰球連續(xù)10次相碰，每次都要使入射小球從斜槽上不同的位置

12、滾下 C．要驗證的表達式是m1＝m1＋m2 D．要驗證的表達式是m1＝m1＋m2 E．要驗證的表達式是m1(－2r)＝m1(－2r)＋m2 圖7 2. 某同學用如圖7所示裝置驗證動量守恒定律，用輕質(zhì)細線將小球 1懸掛于O點，使小球1的球心到懸點O的距離為L，被碰小 球2放在光滑的水平桌面上．將小球1從右方的A點(OA與豎 直方向的夾角為α)由靜止釋放，擺到最低點時恰與小球2發(fā)生 正碰，碰撞后，小球1繼續(xù)向左運動到C位置，小球2落到水平地面上到桌面邊緣水平 距離為x的D點． (1)實驗中已經(jīng)測得上述物理量中的α、L、x，為了驗證兩球碰撞過程動量守恒，還應該測量的物理量有

13、____________________________________________________________． (2)請用測得的物理量結合已知物理量來表示碰撞前后小球1、小球2的動量：p1＝__________；p1′＝__________；p2＝________；p2′＝________. 3．為了驗證碰撞中的動量守恒，實驗宜在氣墊導軌上進行，這樣可以大大減小阻力，使滑塊在碰撞前后的運動可以看成是勻速運動．使實驗的可靠性及準確度得以提高．在某次實驗中，A、B兩鋁制滑塊在一水平長氣墊導軌上相碰，用閃光照相機每隔0.4秒的時間拍攝一次照片，每次拍攝時閃光的延續(xù)時間很短，如圖8所示

14、，已知A、B之間的質(zhì)量關系是mB＝1.5mA，拍攝共進行了4次，第一次是在兩滑塊相撞之前，以后的三次是在碰撞之后．A原來處于靜止狀態(tài)，設A、B滑塊在拍攝閃光照片的這段時間內(nèi)是在10 cm至105 cm這段范圍內(nèi)運動(以滑塊上的箭頭位置為準)，試根據(jù)閃光照片求出： 圖8 (1)A、B兩滑塊碰撞前后的速度各為多少？ (2)根據(jù)閃光照片分析說明兩滑塊碰撞前后動量是否守恒． 4.氣墊導軌(如圖9)工作時，空氣從導軌表面的小孔噴出，在導軌 表面和滑塊內(nèi)表面之間形成一層薄薄的空氣層，使滑塊不與導 圖9 軌表面直接接觸，大大減小了滑塊運動時的阻力．為了驗證動 量守恒定律，在水平氣墊導軌上

15、放置兩個質(zhì)量均為a的滑塊，每個滑 塊的一端分別與穿過打點計時器的紙帶相連，兩個打點計時器所用電源的頻率均為b.氣墊導軌正常工作后，接通兩個打點計時器的電源，并讓兩滑塊以不同的速度相向運動，兩滑塊相碰后粘在一起繼續(xù)運動．圖10為某次實驗打出的點跡清晰的紙帶的一部分，在紙帶上以相同間距的6個連續(xù)點為一段劃分紙帶，用刻度尺分別量出其長度x1、x2和x3.若題中各物理量的單位均為國際單位，那么，碰撞前兩滑塊的動量大小分別為________、________，兩滑塊的總動量大小為________；碰撞后兩滑塊的總動量大小為________．重 復上述實驗，多做幾次．若碰撞前、后兩滑塊的總動量在實驗誤

16、差允許的范圍內(nèi)相等，則動量守恒定律得到驗證． 圖10 5．氣墊導軌上有A、B兩個滑塊，開始時兩個滑塊靜止，它們之間有一根被壓縮的輕質(zhì)彈簧，滑塊間用繩子連接(如圖11甲所示)，繩子燒斷后，兩個滑塊向相反方向運動，圖乙為它們運動過程的頻閃照片，頻閃的頻率為10 Hz，由圖可知： 圖11 (1)A、B離開彈簧后，應該做________運動，已知滑塊A、B的質(zhì)量分別為200 g、300 g，根據(jù)照片記錄的信息，從圖中可以看出閃光照片有明顯與事實不相符合的地方是 ____________________________________________． (2)若不計此失誤，分開后

17、，A的動量大小為____kg·m/s，B的動量的大小為________kg·m/s.本實驗中得出“在實驗誤差允許范圍內(nèi)，兩滑塊組成的系統(tǒng)動量守恒”這一結論的依據(jù)是__________________________________________． 答案 課堂探究 例1　(1)接通打點計時器的電源　放開滑塊1　(2)0.620　0.618　(3)紙帶與打點計時器的限位孔有摩擦 例2?、貱　②ADE或DEA或DAE ③m1·OM＋m2·ON＝m1·OP m1·OM2＋m2·ON2＝m1·OP2 ④14　2.9　1(1～1.01均可)?、?6.8 隨堂訓練 1．D 2．(1)小

18、球1的質(zhì)量m1，小球2的質(zhì)量m2，桌面高度h，OC與豎直方向的的夾角 β (2)m1 m1　0　m2x 3．見解析 解析　(1)由題意可知， 碰前：vA＝0 碰后： 從發(fā)生碰撞到第二次拍攝照片，A運動的時間是 t1＝＝ s＝0.2 s 由此可知，從拍攝第一張照片到發(fā)生碰撞的時間是 t2＝(0.4－0.2) s＝0.2 s 則碰前物體B的速度為 vB＝＝ m/s＝1 m/s (2)碰撞前的動量： p＝mAvA＋mBvB＝1.5mA 碰撞后的動量： p′＝mAvA′＋mBvB′＝0.75mA＋0.75mA＝1.5mA，可見p＝p′，所以兩滑塊碰撞前后動量守恒． 4．0.2abx1　0.2abx3　0.2ab(x1－x3) 0．4abx2 5．(1)勻速直線　A、B兩滑塊的第一個間隔 (2)0.018　0.018　A、B兩滑塊作用前后總動量不變，均為0