2020版高考物理总复习第六章第3节实验：验证动量守恒定律教学案新人教版.docx

第3节实验：验证动量守恒定律夯实基础【p106】一、实验原理在一维碰撞中，测出两物体的质量m1和m2、碰撞前后两物体的速度分别为v1、v2和v1、v2，算出碰撞前的动量p_m1v1m2v2_及碰撞后的动量p_m1v1m2v2_，看碰撞前后动量是否守恒二、实验器材：气垫导轨、光电计时器、_天平_、_滑块(两个)_、重物、弹簧片、细绳、弹射架、胶布、撞针、橡皮泥等：带细线的_摆球(两套)_、铁架台、_天平_、量角器、坐标纸、胶布等：光滑长木板、_打点计时器_、纸带、_小车(两个)_、天平、撞针、橡皮泥：斜槽、_小球(两个)_、天平、_复写纸_、白纸等三、实验步骤：利用气垫导轨完成一维碰撞实验1测质量：用_天平_测出滑块质量2安装：正确安装好气垫导轨3实验：接通电源，利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度(改变滑块的质量改变滑块的初速度大小和方向)4验证：一维碰撞中的动量守恒：利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验1测质量：用天平分别测出_两小球的质量m1、m2_2安装：把两个等大小球用等长悬线悬挂起来3实验：一个小球_静止_，拉起另一个小球，放下时它们相碰4测速度：可以测量小球_被拉起的角度_，从而算出碰撞前对应小球的_速度_，测量碰撞后小球_摆起的角度_，算出碰撞后对应小球的速度5改变条件：改变碰撞条件，重复实验6验证：一维碰撞中的动量守恒：在长木板上两车碰撞完成一维碰撞实验1测质量：用天平测出_两小车的质量_2安装：首先在长木板下一端垫一小木片，平衡摩擦力，再将打点计时器固定在长木板的一端，把纸带穿过打点计时器，连在小车的后面，在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥3实验：接通电源，让小车A运动，小车B静止，两车碰撞时撞针插入橡皮泥中，把两小车连接成一体运动4测速度：通过纸带上_两计数点间的距离及时间_由v算出速度5改变条件：改变碰撞条件、重复实验6验证：一维碰撞中的动量守恒：利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律1用_天平_分别测出半径相同的两小球的质量，并选定_质量大的_小球为入射小球2按图所示安装实验装置调整固定斜槽使_斜槽底端切线水平_3白纸在下，复写纸在上且在适当位置铺放好记下重垂线所指的位置O.4不放被碰小球，让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，重复10次用圆规画_尽量小的圆_把所有的小球落点圈在里面_圆心P_就是小球落点的平均位置5把被碰小球放在斜槽末端，让入射小球从斜槽同一高度自由滚下，使它们发生碰撞，重复实验10次用步骤4的方法，标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N.如图所示6连接ON，测量线段_OP、OM、ON的长度_将测量数据填入表中最后代入_m1OPm1OMm2ON，看在误差允许的范围内是否成立7整理好实验器材放回原处8实验结论：在实验误差范围内，_在碰撞过程中系统的动量守恒_四、注意事项1前提条件：碰撞的两物体应保证水平和正碰2方案提醒(1)若利用气垫导轨进行实验，调整气垫导轨时，注意利用水平仪确保_导轨水平_(2)若利用摆球进行实验，两小球静放时球心应在_同一水平线上_，且刚好接触，摆线竖直，将小球拉起后，两条摆线应在_同一竖直平面内_(3)若利用长木板进行实验，须在长木板下一端垫一小木片用以平衡摩擦力(4)若利用斜槽进行实验，入射球质量要_大于_被碰球质量即：m1m2，防止碰后m1反弹3探究结论：寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变五、误差分析1系统误差：主要来源于装置本身是否符合要求，即：(1)碰撞是否为一维碰撞(2)实验是否满足动量守恒的条件：如气垫导轨是否水平，两球是否等大，用长木板做这个实验时是否平衡了摩擦力2偶然误差：主要来源于_质量m和速度v的测量_【p107】考点突破例1在运用图示装置“验证动量守恒定律”的实验中：(1)在确定小球落地点的平均位置时通常采用的做法是_，其目的是减小实验中的_(选填“系统误差”或“偶然误差”)(2)入射小球每次必须从斜槽上_滚下，这是为了保证入射小球每一次到达斜槽末端时速度相同(3)入射小球的质量为m1，被碰小球的质量为m2，在m1m2时，实验中记下了O、M、P、N四个位置(如图所示)，若满足_(用m1、m2、OM、OP、ON表示)，则说明碰撞中动量守恒；若还满足_(只能用OM、OP、ON表示)，则说明碰撞前后总动能也相等【解析】(1)由于落点比较密集，又较多，每次测量距离很难，确定落点平均位置的方法是最小圆法，即用尽可能最小的圆把各个落点圈住，这个圆的圆心位置代表落点的平均位置以减小偶然误差；(2)为了确保每次碰撞时速度相等，因此要求每次小球由静止从斜面上的同一位置释放；(3)设落地时间为t，则：v1，v2，v3.而动量守恒的表达式是：m1v1m1v2m2v3所以若两球相碰前后的动量守恒，则：m1OPm1OMm2ON成立若碰撞是弹性碰撞，机械能是守恒的，则有：m1vm1vm2v即m1OP2m1OM2m2ON2成立，即OPOMON.【答案】(1)用圆规画一个尽可能小的圆把所有的落点圈在里面，圆心即平均位置偶然误差(2)同一位置由静止开始(3)m1OPm1OMm2ONOPOMON针对训练1如图所示，为“探究碰撞中动量守恒”的实验装置，质量为m2的小球静止于斜槽末端的水平轨道上，让质量为m1的小球从斜槽一定高度处滚下，与m2小球发生对心碰撞，小球m1和m2的落地点分别为M和N，斜槽末端不放m2小球时，m1小球的落地点为P，测得OPs1，OMs2，ONs3，两小球半径都为r，用天平测得m1、m2小球的质量，两小球的质量大小关系为m1_m2(填“”)，所要验证的动量守恒的关系式为_m1s1m1s2m2s3_【解析】m1小球与m2小球发生对心碰撞，只有当m1m2时，才能保证m1小球碰后的速度方向仍然向前，做平抛运动后落到M点若m1m2，m1小球有可能与m2小球速度交换，碰后速度为0或很小若m1m2，m1小球有可能反弹回来，沿斜槽轨道上升一段高度后又重新滚落，虽然也能测得落地点的位置，但由于在斜槽上往返有机械能损失，将增大测量误差m1和m2小球碰撞过程中的动量守恒的表达式为m1v1m1v1m2v2.m1小球碰前速度v1以及两小球碰后的速度v1，v2可以通过平抛运动的水平位移求得，即v1，v1，v2，代入后得m1s1m1s2m2s3.因两小球做平抛运动的起点都在轨道边缘处O点的正上方，所以水平射程的大小与半径r无关，也不需要测量小球的半径【p107】考点突破例2某班物理兴趣小组选用如图所示装置来“探究碰撞中的不变量”将一段不可伸长的轻质小绳一端与力传感器(可以实时记录绳所受的拉力)相连固定在O点，另一端连接小钢球A，把小钢球拉至M处可使绳水平拉紧在小钢球最低点N右侧放置一水平气垫导轨，气垫导轨上放有小滑块B(B上安装宽度较小且质量不计的遮光板)、光电门(已连接数字毫秒计)当地的重力加速度为g.某同学按上图所示安装气垫导轨、滑块B(调整滑块B的位置使小钢球自由下垂静止在N点时与滑块B接触而无压力)和光电门，调整好气垫导轨高度，确保小钢球A通过最低点时恰好与滑块B发生正碰让小钢球A从某位置释放，摆到最低点N与滑块B碰撞，碰撞后小钢球A并没有立即反向，碰撞时间极短(1)(多选)为完成实验，除了毫秒计读数t、碰撞前瞬间绳的拉力F1、碰撞结束瞬间绳的拉力F2、滑块B质量mB和遮光板宽度d外，还需要测量的物理量有_A小钢球A的质量mAB绳长LC小钢球从M到N运动的时间(2)滑块B通过光电门时的瞬时速度vB_用(1)中已给的物理量符号来表示(3)由实验得出碰撞中的不变量的表达式是：_(用题中已给的物理量符号来表示)【解析】(1)还需要测量A的质量mA，以及绳长L.故选A、B.(2)滑块B通过光电门时的瞬时速度vB.(3)根据牛顿第二定律得，F1mAgmA.F2mAgmA.根据动量守恒定律得，mAv1mAv2mBvB整理得：mB.碰撞中的不变量的表达式是：mB【答案】(1)AB(2)mB针对训练2碰撞的恢复系数的定义为e，其中v10和v20分别是碰撞前两物体的速度，v1和v2分别是碰撞后两物体的速度弹性碰撞的恢复系数e1，非弹性碰撞的e1.某同学借用验证动量守恒定律的实验装置(如图所示)验证弹性碰撞的恢复系数是否为1，实验中使用半径相等的钢质小球1和2(它们之间的碰撞可近似视为弹性碰撞)，且小球1的质量大于小球2的质量实验步骤如下：安装好实验装置，做好测量前的准备，并记下重垂线所指的位置O.第一步，不放小球2，让小球1从斜槽上A点由静止滚下，并落在地面上重复多次，用尽可能小的圆把小球的所有落点圈在里面，其圆心就是小球落点的平均位置第二步，把小球2放在斜槽前端边缘处的B点，让小球1从A点由静止滚下，使它们碰撞重复多次，并使用与第一步同样的方法分别标出碰撞后两小球落点的平均位置第三步，用刻度尺分别测量三个落地点的平均位置离O点的距离，即线段OM、OP、ON的长度在上述实验中，(1)P点是_球1碰前落点_的平均位置，M点是_球1碰后落点_的平均位置，N点是_球2碰后落点_的平均位置(2)请写出本实验的原理_小球脱离C后都做平抛运动，时间相等，飞出的水平距离与水平速度成正比，所以可以用飞出的水平位移表示水平速度_，写出用测量的量表示的恢复系数的表达式_e(3)三个落地点距O点的距离OM、OP、ON与实验所用的小球质量是否有关？_OP与小球质量无关，OM、ON与小球质量有关考 点 集 训【p302】1某同学利用打点计时器和气垫导轨做验证动量守恒定律的实验，气垫导轨装置如图甲所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着一定数量的小孔，向导轨空腔内不断通入压缩空气，空气会从小孔中喷出，使滑块稳定地漂浮在导轨上，这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差下面是实验的主要步骤：安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；向气垫导轨通入压缩空气；把打点计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧，将纸带穿过打点计时器和弹射架并固定在滑块1的左端，调节打点计时器的高度，直至滑块拖着纸带移动时，纸带始终在水平方向；使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；把滑块2放在气垫导轨的中间；已知碰后两滑块一起运动；先_接通打点计时器的电源_，然后_放开滑块1_，让滑块带动纸带一起运动；取下纸带，重复步骤，选出较理想的纸带如图乙所示；测得滑块1(包括撞针)的质量为310 g，滑块2(包括橡皮泥)的质量为205 g.(1)试着完善实验步骤的内容(2)已知打点计时器每隔0.02 s打一个点，计算可知两滑块相互作用前质量与速度的乘积之和为_0.620_kgm/s；两滑块相互作用以后质量与速度的乘积之和为_0.618_ kgm/s.(保留3位有效数字)(3)试说明(2)问中两结果不完全相等的主要原因是_纸带与打点计时器的限位孔有摩擦_【解析】(1)使用打点计时器时应先接通电源，后放开滑块1.(2)作用前滑块1的速度v1 m/s2 m/s，其质量与速度的乘积为0.3102 kgm/s0.620 kgm/s，作用后滑块1和滑块2具有相同的速度v m/s1.2 m/s，其质量与速度的乘积之和为(0.3100.205)1.2 kgm/s0.618 kgm/s.(3)相互作用前后动量减小的主要原因是纸带与打点计时器的限位孔有摩擦2某同学利用如图所示的装置验证动量守恒定律图中两摆摆长相同，悬挂于同一高度，A、B两摆球均很小，质量之比为12.当两摆均处于自由静止状态时，其侧面刚好接触向右上方拉动B球使其摆线伸直并与竖直方向成45角，然后将其由静止释放结果观察到两摆球粘在一起摆动，且最大摆角为30.若本实验允许的最大误差为4%，此实验是否在误差范围内验证了动量守恒定律？【解析】设摆球A、B的质量分别为mA、mB，摆长为l，B球的初始高度为h1，碰撞前B球的速度为vB.在不考虑摆线质量的情况下，根据题意及机械能守恒定律得h1l(1cos 45)mBvmBgh1设碰撞前、后两摆球的总动量的大小分别为p1、p2.有p1mBvB联立式得p1mB同理可得p2(mAmB)联立式得代入已知条件得()21.03由此可以推出m2；如图安装好实验装置将斜槽AB固定在桌边，使槽的末端点的切线水平，将一斜面BC连接在斜槽末端；先不放小球m2，让小球m1从斜槽顶端A处由静止滚下，记下小球m1在斜面上的落点位置；将小球m2放在斜槽前端边缘处，让小球m1从斜槽顶端A处由静止滚下，使它们发生碰撞，记下小球m1和m2在斜面上的落点位置；用毫米刻度尺量出各个落点位置到斜槽末端点B的距离图中D、E、F点是该同学记下的小球在斜面上的几个落点位置，到B点的距离分别为LD、LE、LF.根据该同学的实验，回答下列问题：(1)小球m1与m2发生碰撞后，m1的落点是图中的_D_点，m2的落点是图中的_F_点；(2)用测得的物理量来表示，只要满足关系式_m1m1m2_，则说明碰撞中动量是守恒的；(3)用测得的物理量来表示，只要再满足关系式_或m1LEm1LDm2LF_，则说明两小球的碰撞是弹性碰撞【解析】设物体从B点抛出的速度为v，落到斜面上的点到抛出点的距离为L，斜面的倾角为，则有Lsin gt2，Lcos vt，v.v.不放m2时，m1落到E点，对应LE；放m2时，m1落到D点，对应LD，则m2落到F点，对应LF；如果系统动量守恒，则有m1m1m2；如果是弹性碰撞，碰撞前后系统动能不变，则同时有m1LEm1LDm2LF，联立两式可解得