高中物理 16.1实验 探究碰撞中的不变量（精讲优练课型）课件 新人教版选修3-5.ppt

第十六章动量守恒定律1实验:探究碰撞中的不变量,【实验目的】1.明确探究碰撞中的不变量的基本思路。2.探究一维碰撞中的不变量。,【实验原理】1.一维碰撞:两个物体碰撞前沿同一直线运动,碰撞后仍沿同一直线运动,也就是做一维碰撞。,2.实验方案设计:方案一:用气垫导轨完成两个滑块的一维碰撞实验装置如图所示。不同的质量可以通过在滑块上加重物的办法实现。,(1)质量的测量:用天平测量。(2)速度的测量:v=,式中的x为滑块上挡光板的宽度,t为数字计时显示器显示的滑块挡板经过光电门的时间。,(3)各种碰撞情景:滑块上装弹性片、贴胶布或橡皮泥等,达到碰撞后弹开或粘在一起的效果。在两滑块相碰的端面装上弹性碰撞架(如图甲),可以得到能量损失很小的碰撞,在滑块的碰撞端贴胶布,可以增大碰撞时的能量损失,如果在两个滑块的碰撞端分别装撞针和橡皮泥,碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两个滑块连接成一体运动(图乙),这样的碰撞中能量损失很大。如果在两个滑块的碰撞端分别贴上尼龙拉扣,碰撞时它们也会连成一体。,利用气垫导轨进行实验的两种情况,方案二:利用等长悬绳悬挂等大小球实现一维碰撞,实验装置如图所示。把两个小球用细线悬起来,一个小球静止,拉起另一个小球,放开后它们相碰。,(1)质量的测量:用天平测量。(2)速度的测量:可以测量小球被拉起的角度,计算出碰撞前小球的速度;测量被撞小球摆起的角度,计算碰撞后的速度。(3)可采用在小球上贴胶布的方式来改变碰撞中的能量损失。,方案三:利用小车在光滑桌面碰撞另一个静止的小车实现一维碰撞情况静止的小车上装上橡皮泥,运动的小车上装上撞针,让它们碰撞后粘在一起。(1)质量的测量:用天平测量。(2)利用打点计时器记录小车碰撞前后的运动情况,根据纸带上的点迹求速度。,【实验器材】方案一:气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、重物、弹簧片、细线、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。方案二:带细线的摆球(两个)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。方案三:光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥等。,【实验过程】不论采用哪种方案,实验过程均可按实验方案合理安排,参考步骤如下:(1)用天平测量相关碰撞物体的质量m1、m2,填入预先设计好的表格中。(2)安装实验装置。(3)使物体发生碰撞。,(4)测量或读出碰撞前后相关的物理量,计算对应的速度,填入预先设计好的表格中。(5)改变碰撞条件,重复步骤(3)、(4)。(6)进行数据处理,通过分析比较,找出碰撞中的“不变量”。,(7)整理器材,结束实验。实验中记录数据用的表格:,【误差分析】1.系统误差:(1)碰撞是否为一维碰撞,设计实验方案时应保证碰撞为一维碰撞。(2)碰撞中其他力(例如,摩擦力、空气阻力等)的影响带来的误差。实验中要合理控制实验条件,避免除碰撞时相互作用力外的其他力影响物体速度。2.偶然误差:测量和读数的准确性带来的误差,实验中应规范测量和读数,同时增加测量次数,取平均值,尽量减小偶然误差的影响。,【注意事项】1.前提条件:碰撞的两物体应保证发生的是一维碰撞,即两个物体碰撞前沿同一直线运动,碰撞后仍沿同一直线运动。,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.探究结论:寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变,才符合要求。,热点一实验步骤与数据处理【典例1】某同学运用以下实验器材,设计了一个碰撞实验来寻找碰撞前后的不变量:打点计时器、低压交流电源(频率为50Hz)、纸带、表面光滑的长木板、带撞针的小车A、带橡皮泥的小车B、天平。,该同学设计的实验步骤如下:A.用天平测出小车A的质量为mA=0.4kg,小车B的质量为mB=0.2kgB.更换纸带重复操作三次C.小车A靠近打点计时器放置,在车后固定纸带,把小车B放在长木板中间D.把长木板平放在桌面上,在一端固定打点计时器,连接电源E.接通电源,并给小车A一定的初速度vA,(1)请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来。(2)打点计时器打下的纸带中,比较理想的一条如图所示,根据这些数据完成下表。,(3)根据以上数据猜想碰撞前后不变量的表达式为_。,【正确解答】(1)按照先安装,后实验,最后重复的顺序,该同学正确的实验步骤为ADCEB。(2)碰撞前后均为匀速直线运动,由纸带上的点迹分布求出速度。碰后小车A、B合为一体,求出AB整体的共同速度。注意打点计时器的频率为50Hz,打点时间间隔为0.02s,通过计算得下表。,(3)由表中数值可看出mv一行中数值相同,可猜想碰撞前后不变量的表达式为mAvA+mBvB=(mA+mB)v。答案:(1)ADCEB(2)见正确解答(3)mAvA+mBvB=(mA+mB)v,热点二创新设计实验【典例2】某同学把两个大小不同的物体用细线连接,中间夹一被压缩的弹簧,如图所示,将这一系统置于光滑的水平桌面上,烧断细线,观察物体的运动情况,进行必要的测量,探究物体间相互作用时的不变量。,(1)该同学还必须有的器材是。(2)需要直接测量的数据是。(3)根据课堂探究的不变量,本实验中表示碰撞前后不变量的表达式应为。,【正确解答】物体离开桌面后做平抛运动,取右边物体的初速度方向为正方向,设两物体质量和平抛初速度分别为:m1、m2,v1、v2,平抛运动的水平位移分别为x1、x2,平抛运动的时间为t。需要验证的方程:0=m1v1-m2v2,其中:v1=,v2=,代入得到m1x1=