2018-2019版高中物理 第1章 碰撞與動(dòng)量守恒 1.2 課時(shí)1 動(dòng)量守恒定律學(xué)案 滬科版選修3-5.docx
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課時(shí)1 探究物體碰撞時(shí)動(dòng)量的變化規(guī)律 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.探究物體碰撞時(shí)動(dòng)量的變化規(guī)律.2.掌握在同一條直線上運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體碰撞前、后速度的測(cè)量方法. 一、實(shí)驗(yàn)原理 為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化,這里先研究?jī)蓚€(gè)物體碰撞時(shí)動(dòng)量變化的規(guī)律,碰撞前兩物體沿同一直線運(yùn)動(dòng),碰撞后仍沿這一直線運(yùn)動(dòng). 設(shè)兩個(gè)物體的質(zhì)量分別為m1、m2,碰撞前的速度分別為v1、v2,碰撞后的速度分別為v1′、v2′,如果速度方向與我們規(guī)定的正方向一致,取正值,相反取負(fù)值. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)求出兩物體碰撞前的總動(dòng)量 p=m1v1+m2v2 碰撞后總動(dòng)量p′=m1v1′+m2v2′ 看一看p與p′有什么關(guān)系? 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題 (1)如何保證碰撞前、后兩物體速度在一條直線上? (2)如何測(cè)定碰撞前、后兩物體的速度? 2.實(shí)驗(yàn)案例:氣墊導(dǎo)軌上的實(shí)驗(yàn) 氣墊導(dǎo)軌、氣泵、光電計(jì)時(shí)器、天平等. 氣墊導(dǎo)軌裝置如圖1所示,由導(dǎo)軌、滑塊、擋光條、光電門(mén)等組成,在空腔導(dǎo)軌的兩個(gè)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,壓縮空氣會(huì)從小孔中噴出,使滑塊穩(wěn)定地漂浮在導(dǎo)軌上(如圖2所示,圖中氣墊層的厚度放大了很多倍),這樣大大減小了由摩擦產(chǎn)生的影響. 圖1 圖2 (1)質(zhì)量的測(cè)量:用天平測(cè)量. (2)速度的測(cè)量:v=,式中的Δx為滑塊上擋光板的寬度,Δt為數(shù)字計(jì)時(shí)顯示器顯示的滑塊上的擋光板經(jīng)過(guò)光電門(mén)的時(shí)間. 三、實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理 1.調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌,使其水平.是否水平可按如下方法檢查:打開(kāi)氣泵后,導(dǎo)軌上的滑塊應(yīng)該能保持靜止. 2.按說(shuō)明書(shū)連接好光電計(jì)時(shí)器與光電門(mén). 3.如圖3所示,在滑塊上安裝好彈性架.將兩滑塊從左、右以適當(dāng)?shù)乃俣冉?jīng)過(guò)光電門(mén)后在兩光電門(mén)中間發(fā)生碰撞,碰撞后分別沿與各自碰撞前相反的方向運(yùn)動(dòng)再次經(jīng)過(guò)光電門(mén),光電計(jì)時(shí)器分別測(cè)出兩滑塊碰撞前后的速度.測(cè)出它們的質(zhì)量后,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記入相應(yīng)表格中. 圖3 4.如圖4所示,在滑塊上安裝好撞針及橡皮泥,將兩滑塊從左、右以適當(dāng)?shù)乃俣冉?jīng)過(guò)光電門(mén)后發(fā)生碰撞,相碰后粘在一起,測(cè)出它們的質(zhì)量和速度,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記入相應(yīng)的表格. 圖4 5.在滑塊上安裝好撞針及橡皮泥后,將裝有橡皮泥的滑塊停在兩光電門(mén)之間,裝有撞針的滑塊從一側(cè)經(jīng)過(guò)光電門(mén)后兩滑塊碰撞,然后一起運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)另一光電門(mén),測(cè)出兩滑塊的質(zhì)量和速度,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記入相應(yīng)表格中. 6.根據(jù)上述各次碰撞的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尋找物體碰撞時(shí)動(dòng)量變化的規(guī)律. 氣墊導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表 碰撞前 碰撞后 質(zhì)量m(kg) m1 m2 m1 m2 速度v(ms-1) v1 v2 v1′ v2′ mv(kgms-1) m1v1+m2v2 m1v1′+m2v2′ 結(jié)論 實(shí)驗(yàn)結(jié)論:碰撞前后兩滑塊的動(dòng)量之和保持不變. 四、注意事項(xiàng) 1.保證兩個(gè)滑塊碰撞前沿同一直線,碰撞后仍沿同一直線運(yùn)動(dòng). 2.調(diào)整氣墊導(dǎo)軌時(shí),注意利用水平儀確保導(dǎo)軌水平. 一、用氣墊導(dǎo)軌結(jié)合光電門(mén)的實(shí)驗(yàn)探究 例1 某同學(xué)利用氣墊導(dǎo)軌做“探究物體碰撞時(shí)動(dòng)量變化的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn).氣墊導(dǎo)軌裝置如圖5所示,所用的氣墊導(dǎo)軌裝置由導(dǎo)軌、滑塊、彈射架、光電門(mén)等組成. 圖5 (1)下面是實(shí)驗(yàn)的主要步驟: ①安裝好氣墊導(dǎo)軌,調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)旋鈕,使導(dǎo)軌水平; ②向氣墊導(dǎo)軌通入壓縮空氣; ③接通光電計(jì)時(shí)器; ④把滑塊2靜止放在氣墊導(dǎo)軌的中間; ⑤滑塊1擠壓導(dǎo)軌左端彈射架上的橡皮繩; ⑥釋放滑塊1,滑塊1通過(guò)光電門(mén)1后與左側(cè)固定彈簧的滑塊2相碰撞,碰撞后滑塊2和滑塊1依次通過(guò)光電門(mén)2,兩滑塊通過(guò)光電門(mén)2后依次被制動(dòng); ⑦讀出滑塊通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的擋光時(shí)間:滑塊1通過(guò)光電門(mén)1的擋光時(shí)間為Δt1=10.01ms,通過(guò)光電門(mén)2的擋光時(shí)間為Δt2=49.99ms,滑塊2通過(guò)光電門(mén)2的擋光時(shí)間為Δt3=8.35ms; ⑧測(cè)出擋光片的寬度d=5mm,測(cè)得滑塊1的質(zhì)量為m1=300g,滑塊2(包括彈簧)的質(zhì)量為m2=200g; (2)數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)論: ①實(shí)驗(yàn)中氣墊導(dǎo)軌的作用是: A.________________________________________________________________________; B.________________________________________________________________________. ②碰撞前滑塊1的速度v1為_(kāi)_________m/s;碰撞后滑塊1的速度v2為_(kāi)_________ m/s;滑塊2的速度v3為_(kāi)_________m/s;(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字) ③在誤差允許的范圍內(nèi),通過(guò)本實(shí)驗(yàn),同學(xué)們可以探究出哪些物理量是不變的?通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析說(shuō)明理由.(至少回答2個(gè)不變量) a.________________________________________________________________________; b.________________________________________________________________________. 答案 見(jiàn)解析 解析 (2)①A.大大減小了因滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦而引起的誤差. B.保證兩個(gè)滑塊的碰撞是一維的. ②滑塊1碰撞之前的速度v1==m/s≈0.50 m/s; 滑塊1碰撞之后的速度 v2==m/s≈0.10 m/s; 滑塊2碰撞之后的速度v3==m/s≈0.60 m/s; ③a.系統(tǒng)總動(dòng)量不變. 原因:系統(tǒng)碰撞之前m1v1=0.15kgm/s,系統(tǒng)碰撞之后m1v2+m2v3=0.15 kgm/s. b.系統(tǒng)碰撞前后總動(dòng)能不變. 原因:系統(tǒng)碰撞之前的總動(dòng)能Ek1=m1v12=0.0375J 系統(tǒng)碰撞之后的總動(dòng)能 Ek2=m1v22+m2v32=0.0375J 所以系統(tǒng)碰撞前后總動(dòng)能相等. c.系統(tǒng)碰撞前后總質(zhì)量不變. 二、利用“光滑”水平面結(jié)合打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的實(shí)驗(yàn)探究 例2 某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器探究物體碰撞時(shí)動(dòng)量變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn).在小車(chē)甲的前端黏有橡皮泥,推動(dòng)小車(chē)甲使之做勻速直線運(yùn)動(dòng),然后與原來(lái)靜止在前方的小車(chē)乙相碰并黏合成一體,而后兩車(chē)?yán)^續(xù)做勻速直線運(yùn)動(dòng),他設(shè)計(jì)的具體裝置如圖6所示.在小車(chē)甲后連著紙帶,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)頻率為50Hz,長(zhǎng)木板下墊著小木片用以平衡摩擦力. 圖6 (1)若已得到打點(diǎn)紙帶如圖7所示,并將測(cè)得的各計(jì)數(shù)點(diǎn)間距離標(biāo)在圖上,A點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)起始的第一點(diǎn),則應(yīng)選____段來(lái)計(jì)算甲的碰前速度,應(yīng)選______段來(lái)計(jì)算甲和乙碰后的共同速度(以上兩格選填“AB”“BC”“CD”或“DE”). 圖7 (2)已測(cè)得小車(chē)甲的質(zhì)量m甲=0.40kg,小車(chē)乙的質(zhì)量m乙=0.20kg,由以上測(cè)量結(jié)果可得:碰前m甲v甲+m乙v乙=__________________kgm/s;碰后m甲v甲′+m乙v乙′=________ kgm/s(結(jié)果保留3位有效數(shù)字). (3)由(2)可得出的結(jié)論是__________. 答案 (1)BC DE (2)0.420 0.417 (3)在誤差允許范圍內(nèi),碰撞前后兩個(gè)小車(chē)的mv之和是相等的. 解析 (1)觀察打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶,點(diǎn)跡均勻的階段BC應(yīng)為小車(chē)甲與乙碰前的階段,CD段點(diǎn)跡不均勻,故CD應(yīng)為碰撞階段,甲、乙碰撞后一起做勻速直線運(yùn)動(dòng),打出間距均勻的點(diǎn),故應(yīng)選DE段計(jì)算碰后共同的速度. (2)碰前v甲==1.05m/s,v乙=0;m甲v甲+m乙v乙=0.420 kgm/s.碰后兩者速度相同,v甲′=v乙′==0.695m/s;m甲v甲′+m乙v乙′=0.417 kgm/s. (3)在誤差允許范圍內(nèi),碰撞前后兩個(gè)小車(chē)的mv之和是相等的. 三、利用氣墊導(dǎo)軌結(jié)合頻閃照相的實(shí)驗(yàn)探究 例3 為了探究物體碰撞時(shí)動(dòng)量變化的規(guī)律,實(shí)驗(yàn)最好在氣墊導(dǎo)軌上進(jìn)行,這樣就可以大大減小阻力,使滑塊在碰撞前后的運(yùn)動(dòng)可以看成是勻速運(yùn)動(dòng),使實(shí)驗(yàn)的可靠性及準(zhǔn)確度得以提高.在某次實(shí)驗(yàn)中,A、B兩鋁制滑塊在一水平長(zhǎng)氣墊導(dǎo)軌上相碰,用頻閃攝像的方法每隔0.4秒的時(shí)間拍攝一次照片,每次拍攝時(shí)閃光的持續(xù)時(shí)間很短,可以忽略,如圖8所示,已知A、B之間的質(zhì)量關(guān)系是mB=1.5mA,拍攝共進(jìn)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(lái)處于靜止?fàn)顟B(tài),設(shè)A、B滑塊在拍攝閃光照片的這段時(shí)間內(nèi)是在10cm至105cm這段范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)(以滑塊上的箭頭位置為準(zhǔn)),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(shuō)明兩滑塊碰撞前后,兩個(gè)滑塊的總動(dòng)量是否不變. 答案 見(jiàn)解析 解析 (1)分析題圖可知碰撞后兩滑塊的速度分別為: vB′==m/s=0.5 m/s; vA′==m/s=0.75 m/s. 從發(fā)生碰撞到第二次拍攝照片時(shí),A運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是 t1==s=0.2s 由此可知,從第一張拍攝照片到發(fā)生碰撞的時(shí)間為 t2=(0.4-0.2) s=0.2s 則碰撞前B的速度為vB==m/s=1.0 m/s 由題意得vA=0. (2)碰撞前:mAvA+mBvB=1.5mA 碰撞后:mAvA′+mBvB′=0.75mA+0.75mA=1.5mA,所以mAvA+mBvB=mAvA′+mBvB′,即碰撞前后兩個(gè)滑塊總動(dòng)量不變. 1.(實(shí)驗(yàn)誤差的考查)(多選)在利用氣墊導(dǎo)軌探究物體碰撞時(shí)動(dòng)量變化的規(guī)律實(shí)驗(yàn)中,哪些因素可導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差增大( ) A.導(dǎo)軌安放不水平 B.滑塊上擋光片傾斜 C.兩滑塊質(zhì)量不相等 D.兩滑塊碰后粘合在一起 答案 AB 2.(注意事項(xiàng)的考查)(多選)若用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器做探究碰撞中的不變量的實(shí)驗(yàn),下列說(shuō)法或操作正確的是( ) A.相互作用的兩車(chē)上,一個(gè)裝上撞針,一個(gè)裝上橡皮泥,是為了改變兩車(chē)的質(zhì)量 B.相互作用的兩車(chē)上,一個(gè)裝上撞針,一個(gè)裝上橡皮泥,是為了碰撞后粘在一起 C.先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源,再釋放拖動(dòng)紙帶的小車(chē) D.先釋放拖動(dòng)紙帶的小車(chē),再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源 答案 BC 解析 相互作用的兩車(chē)上,一個(gè)裝上撞針,一個(gè)裝上橡皮泥,是為了碰撞后兩車(chē)能粘在一起共同運(yùn)動(dòng),這種情況能得到能量損失很大的碰撞;應(yīng)當(dāng)先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源,再釋放拖動(dòng)紙帶的小車(chē),否則因運(yùn)動(dòng)距離較短,小車(chē)釋放以后再打開(kāi)電源不容易得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).故A、D錯(cuò)誤,B、C正確. 3.(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理)在用氣墊導(dǎo)軌做“探究碰撞中的不變量”實(shí)驗(yàn)時(shí),左側(cè)滑塊質(zhì)量m1=200g,右側(cè)滑塊質(zhì)量m2=160g,擋光片寬度為3.00cm,兩滑塊之間有一壓縮的彈簧片,用細(xì)線將兩滑塊連在一起,如圖9所示.開(kāi)始時(shí)兩滑塊靜止,燒斷細(xì)線后,兩滑塊分別向左、右方向運(yùn)動(dòng).擋光片通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間分別為Δt1=0.30s,Δt2=0.24s.以向右為正方向,則燒斷細(xì)線后兩滑塊的速度分別為v1′=________m/s,v2′=________ m/s.燒斷細(xì)線前m1v1+m2v2=________,燒斷細(xì)線后m1v1′+m2v2′=________.可得到的結(jié)論是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. 圖9 答案 (1)-0.1 0.125 0 0 兩個(gè)物體各自的質(zhì)量與自己的速度的乘積之和是“不變量” 解析 由平均速度公式可得:v1′=m/s=-0.1 m/s;v2′=m/s=0.125 m/s;因燒斷細(xì)線之前,兩滑塊均靜止,故燒斷細(xì)線前的m1v1+m2v2為零;燒斷細(xì)線后的m1v1′+m2v2′=0.2(-0.1) kgm/s+0.160.125 kgm/s=0;即燒斷細(xì)線前后mv之和相等,即兩個(gè)物體各自的質(zhì)量與自己速度的乘積之和是“不變量”. 4.(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理)某同學(xué)把兩個(gè)大小不同的物體用細(xì)線連接,中間夾一被壓縮的彈簧,如圖10所示,將這一系統(tǒng)置于光滑的水平桌面上,燒斷細(xì)線,觀察兩物體的運(yùn)動(dòng)情況,進(jìn)行必要的測(cè)量,探究物體間相互作用時(shí)動(dòng)量變化的規(guī)律. 圖10 (1)該同學(xué)還必須有的器材是______________________________________________________; (2)需要直接測(cè)量的數(shù)據(jù)是________________________________________________________; (3)本實(shí)驗(yàn)中表示碰撞前后動(dòng)量守恒的表達(dá)式應(yīng)為_(kāi)____________(用測(cè)得的物理量符號(hào)表示). 答案 (1)刻度尺、天平 (2)兩物體的質(zhì)量m1、m2和兩物體落地點(diǎn)分別到桌面兩側(cè)邊緣的水平距離s1、s2 (3)m1s1=m2s2 解析 物體離開(kāi)桌面后做平拋運(yùn)動(dòng),取左邊物體的初速度方向?yàn)檎较?,設(shè)兩物體質(zhì)量和平拋初速度分別為:m1、m2,v1、v2,平拋運(yùn)動(dòng)的水平位移分別為s1、s2,平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t,需要驗(yàn)證的方程:0=m1v1-m2v2,其中:v1=,v2=,代入得到m1s1=m2s2,故需要測(cè)量?jī)晌矬w的質(zhì)量m1、m2和兩物體落地點(diǎn)分別到桌面兩側(cè)邊緣的水平距離s1、s2,需要的器材為刻度尺、天平.- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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