高中物理 第16章 第1节 实验 探究碰撞中的不变量同步辅导与检测课件 新人教版选修35.ppt

第1节实验 探究碰撞中的不变量 动量守恒定律 笛卡儿对物理运动规律的研究1596年3月13日 在法国西部的希列塔尼半岛上的图朗城 勒内 笛卡儿来到了人间 1616年 勒内 笛卡儿在波埃顿大学获法律博士学位 17世纪以后 数学之所以能有突飞猛进的发展 在很大程度上要归功于笛卡儿创立的坐标几何学 在贝克曼提出 运动守恒原理 的影响下 笛卡儿开展了对物理学的研究 在1644年出版的 哲学原理 一书中 他弥补了伽利略的不足 认为在运动量守恒这条规律之外 要有其第二级定律三条 第一条定律是如果没有外界的作用 任何物质粒子的状态包括它的大小 形状 位置和运动不会有任何变化 第二条定律是如果物体处在运动之中 那么如无其他原因作用的话 它将继续以同一速度在同一直线方向上运动 既不停下也不偏离原来的方向 笛卡儿最早认识到惯性定律是解决力学问题的关键所在 最早把惯性定律作为原理加以确立 这对后来牛顿的综合工作有着极深远的影响 第三条是关于碰撞的 这个定律指出 一个运动的物体不可能使一个处于静止的且质量更大的物体运动起来 然而由于动量守恒 遇到重的物体在碰撞后将保持它原来的速度而沿其他方向继续运动 笛卡儿总结了碰撞规律 为动量守恒的提出做出重要准备工作 1 一维碰撞 1 一维碰撞 两个物体碰撞前沿同一直线运动 碰撞后 运动 这样的碰撞叫做一维碰撞 2 一维碰撞中速度 矢量 方向的表示方法在一维碰撞问题中 先规定物体运动速度的某一方向为正方向 如果某物体速度方向与规定的正方向一致 则该物体速度取 值 如果某物体速度方向与规定的方向相反 则该物体速度取 值 答案 1 仍沿同一条直线 2 正负 2 实验案例相关知识 1 气垫导轨上两滑块的碰撞是一维碰撞 它与光电计时器的配合使用可以迅速测量出两个滑块碰前 碰后的速度 若滑块上挡光条的宽度为d 滑块通过某处光电计时器的挡光时间为 t 则滑块通过该处的速度v 2 若将一小球用长l的细线悬挂起来 并拉起一个与竖起方向成 的夹角 无初速释放后 小球到达最低处的速度v 3 打点计时器打出的纸带能记录运动物体在不同时刻的位移 通过分析纸带上所打点的变化特征可确定物体的运动状态 若所打各点均匀分布 可以判断物体做 运动 若知道打点计时器的频率和纸带上各相邻点间的距离 便可求出物体运动的 答案 3 匀速直线速度 一 实验的基本思路1 设置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 与物体运动有关的物理量可能有哪些呢 在一维碰撞的情况下只有物体的质量和物体的速度 设两个物体的质量分别为m1 m2 碰撞前的速度分别为v1 v2 碰撞后的速度分别为v1 v2 如果速度与我们设定的方向一致 取正值 否则取负值 碰撞前后哪个物理量可能是不变的 大致有以下几种可能供同学们去研究 1 m1v1 m2v2 m1v1 m2v2 2 m1v12 m2v22 m1v1 2 m2v2 2 3 也许还有 2 碰撞可能有很多情形 两个质量相同的物体相碰撞 两个质量相差悬殊的物体相碰撞 两个速度大小相同 方向相反的物体碰撞 一个运动物体与一个静止物体相碰撞等 两个物体碰撞时可能碰后分开 也可能黏在一起不再分开等 3 寻找的不变量的特点 在各种碰撞的情况下都不改变 二 需要考虑的问题1 保证发生一维碰撞可以利用凹槽或气垫导轨限定运动在同一直线上进行 如课本 参考案例一 2 质量的测量可以利用天平测量物体的质量 3 速度的测量可以利用运动规律 如利用匀速直线运动中位移 速度 时间关系x vt求速度 也可以利用物体带动纸带运动 通过纸带上打点计时器所打的点迹来分析 计算速度 4 得出结论 三 参考案例案例 一 实验装置如下图所示 不同的质量可以通过在滑块上加重物的办法实现 应用气垫导轨很容易控制滑块碰撞前的速度或使它在碰撞前静止 因此 这个方案是本实验的首选 还有两点值得注意 1 原来连在一起的两个物体 由于它们之间具有相互排斥的力而分开 这实际上也是一种碰撞 这种情况可以通过下面的方法实现 用细线将弹簧片拉成弓形 放置于质量不等的两个滑块之间 并使它们静止 然后烧断细线 弹簧片弹开后落下 两个滑块随即向相反方向运动 如下图甲 2 碰撞时难免有能量损失 只有当某个物理量在能量损失较大和损失较小的碰撞中都不变 它才是我们寻找的不变量 在两滑块相碰的端面装上弹性碰撞架 如下图乙 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 把两个滑块连成一体运动 图丙 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 案例 二 实验装置如下图甲所示 把两个小球用线悬挂起来 一个小球静止 拉起另一个小球 如图乙 放下时它们相碰 可以测量小球被拉起的角度 从而算出落下时的速度 测量被碰撞小球摆起的角度 从而算出被撞后的速度 也可以用贴胶布 双面胶等方法增大两球碰撞时的能量损失 案例 三 如下图所示 将打点计时器固定在光滑桌面的一端 把纸带穿过打点计时器 连在小车的后面 让小车a运动 小车b静止 在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥 碰撞时撞针插入橡皮泥中 把两个小车连接成一体 通过纸带测出它们碰撞前后的速度 将以上三个实验过程中测得的数据填入下表中 然后探究不变量 结论 通过以上实验 你找到的碰撞前后的 不变量 可能是 如右图所示 在实验室用两端带竖起挡板c d的气垫导轨和有固定挡板的质量都是m的滑块a b 做探究碰撞中不变量的实验 1 把两滑块a和b紧贴在一起 在a上放质量为m的砝码 置于导轨上 用电动卡销卡住a和b 在与a和b的固定挡板间放一弹簧 使弹簧处于水平方向上的压缩状态 2 按下电钮使电动卡销放开 同时起动两个记录两滑块运动时间的电子计时器 当a和b与挡板c和d碰撞时 电子计时器自动停表 记下a至c运动时间t1 b至d运动时间t2 3 重复几次取t1 t2的平均值 请回答以下几个问题 在调整气垫导轨时应注意 应测量的数据还有 作用前a b两滑块速度与质量乘积之和为 作用后a b两滑块速度与质量乘积之和为 解析 为了保证滑块a b作用后做匀速直线运动 必须使气垫导轨水平 需要用水平仪加以调试 要求出a b两滑块在卡销放开后的速度 需测出a至c的时间t1和b至d的时间t2 并且要测出两滑块到挡板的距离l1和l2 再由公式v 求出其速度 设向左为正方向 根据所测数据求得两滑块的速度分别为碰前两物体静止 v 0 速度与质量乘积之和为0 碰后两滑块的速度与质量乘积为答案 用水平仪测量使得导轨水平 a至c的距离l1 b至d的距离l2 0点评 要求两物体在碰撞前后质量与速度乘积的关系 就要根据不同的仪器直接或间接测量 最后比较在误差范围内其乘积是否相等即可 变式迁移 某同学用下图甲所示装置通过半径相同的a b两球的碰撞来寻找不变量 图中sq是斜槽 qr为水平槽 实验时先使a球从斜槽上某一固定位置g由静止开始滚下 落到位于水平地面的记录纸上 留下痕迹 重复上述操作10次 得到10个落点痕迹 再把b球放在水平槽上靠近槽末端的地方 让a球仍从位置g由静止开始滚下 和b球碰撞后 a b球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹 重复这种操作10次 图中o是水平槽末端口在记录纸上的垂直投影点 p为未放被碰小球b时a球的平均落点 m为与b球碰后a球的平均落点 n为被碰球b的平均落点 若b球落点痕迹如下图乙所示 其中米尺水平放置 且平行于op 米尺的零点与o点对齐 图见下页 1 碰撞后b球的水平射程应为 cm 2 在以下选项中 哪些是本次实验必须进行的测量 答 填选项号 a 水平槽上未放b球时 测量a球落点位置到o点的距离b a球与b球碰撞后 测量a球落点位置到o点的距离c 测量a球或b球的直径d 测量a球和b球的质量e 测量g点相对于水平槽面的高度 解析 1 将10个点圈在圆内的最小圆的圆心作为平均落点 可由刻度尺测得碰撞后b球的水平射程为64 7cm 因最后一位数字为估计值 所以允许误差 0 5cm 因此64 2cm和65 2cm也是正确的 2 从同一高度做平抛运动飞行的时间t相同 而水平方向为匀速直线运动 故水平位置x vt 所以只要测出小球飞行的水平位移 就可以用水平位移代替平抛初速度 即碰撞前后的速度 证明是否相等 即可以说明两个物体碰撞前后各自的质量与其速度的乘积之和是否相等 故必须测量的是两球的质量和水平射程 即选项a b d是必须进行的测量 答案 1 64 7cm 64 2 65 2cm均可 2 abd 基础巩固 1 多选 在课本p参考案例 二 中 下列说法正确的是 a 悬挂两球的细绳长度要适当 且等长b 由静止释放小球以便较准确地计算小球碰前的速度c 两小球必须都是钢性球 且质量相同d 两小球碰后可以粘合在一起共同运动解析 两绳等