高考物理 实验特训12 验证动量守恒定律.doc

实验十二：验证动量守恒定律一、实验目的1验证一维碰撞中的动量守恒。2探究一维弹性碰撞的特点。二、实验器材斜槽，大小相等、质量不同的小钢球两个，重垂线，白纸，复写纸，天平，刻度尺，圆规。三、实验步骤 (1)先用天平测出小球质量m1、m2。 (2)如图1所示，安装好实验装置，将斜槽固定在桌边，使槽的末端点切线水平，把被碰小球放在斜槽水平方向的末端调节实验装置使两个相碰时处于同一水平高度，且碰撞瞬间，入射球与被碰球的球心联机与轨道末端的切线平行，以确保碰撞后的速度方向水平。 (3)在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸。 (4)在白纸上记下重锤线所指的位置o，它表示入射球被碰前的位置，如图所示。 (5)先不放被碰小球，让入射球从斜槽上同一高度处自由滚下，重复10次，用圆规画尽可能小的圆，把所有的小球落点围在里面，圆心就是入射球不碰撞时的落地点p。 (6)把被碰小球放在斜槽末端，让入射小球从同一高度处自由滑下，使它们发生正碰，重复10次，仿步骤求出入射小球落点的平均位置m和被碰小球落点的平均位置n。(7) 用刻度尺量出线段、的长度。把两小球的质量和相应的速度数值代入m1= m1+m2，看是否成立 (8)整理实验器材，放回原处。四、数据处理入射球、被碰球都是从同高度开始做平抛运动，故它们平抛运动的时间都相同，设为t，入射球从斜槽轨道上某点由静止释放后，落在p点，它平抛运动的起点为斜槽轨道的末端，共平抛运动的水平位移为，水平速度v=，入射球从斜槽轨道上的同一点由静止释放，与被碰球碰撞后分别落在m、n点，它们的水平速度分别为v1=，v2=，如果动量守恒，则应有m1v1 = m1 + m2，亦即m1= m1+ m2，只要证明这个关系正确，就验证了机械能守恒。五、注意事项 (1)斜槽末端的切线必须水平。 (2)入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放。 (3)入射球质量应大于被碰球的质量。 (4)实验过程中实验桌、斜槽、记录所用自纸的位置要始终保持不变。斜槽末端必须水平，检验方法是把小球放在斜槽末端平轨道上任何位置，看其能否保持静止状态六、误差分析实验所研究的过程是两个不同质量的金属球发生水平正碰，因此“水平”和“正碰”是操作中应尽量予以满足的前提条件。实验中两球球心高度不在同一水平面上，给实验带来误差每次静止释放入射球的释放点越高，两球相碰时内力越大，动量守恒的误差越小，应进行多次碰撞，落点取平均位置来确定，以减小偶然误差。本实验代入计算的量并不多，只有小球的质量和碰撞前后两个小球平抛的水平位移，因此质量的测量和水平位移的测量是产生误差的主要原因，应尽量准确。考点一实验原理与操作典例1(2011北京高考)如图实161，用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律，即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。图实161(1)实验中，直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的。但是，可以通过仅测量_(填选项前的符号)，间接地解决这个问题。a小球开始释放高度hb小球抛出点距地面的高度hc小球做平抛运动的射程(2)图中o点是小球抛出点在地面上的垂直投影，实验时先让入射球m1多次从斜轨上s位置静止释放，找到其平均落地点的位置p，测量平抛射程op，然后，把被碰小球m2静置于轨道的水平部分，再将入射球m1从斜轨上s位置静止释放，与小球m2相碰，并多次重复。接下来要完成的必要步骤是_。(填选项前的符号)a用天平测量两个小球的质量m1、m2b测量小球m1开始释放高度hc测量抛出点距地面的高度hd分别找到m1、m2相碰后平均落地点的位置m、ne测量平抛射程om、on(3)若两球相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为_用(2)中测量的量表示；若碰撞是弹性碰撞，那么还应满足的表达式为_用(2)中测量的量表示。答案(1)c(2)ade(3)m1omm2onm1opm1om 2m2onm1op2考点总结要点谨记1考查实验原理对应第(1)题(1)小球从同一点平抛，落地时间均相同。(2)可用小球做平抛运动的水平射程作为小球平抛运动的初速度进行实验验证。考点二数据处理与误差分析例2(2014全国卷)现利用图实165所示的装置验证动量守恒定律。在图中，气垫导轨上有a、b两个滑块，滑块a右侧带有一弹簧片，左侧与打点计时器(图中未画出)的纸带相连；滑块b左侧也带有一弹簧片，上面固定一遮光片，光电计时器(未完全画出)可以记录遮光片通过光电门的时间。 图实165实验测得滑块a的质量m10.310 kg，滑块b的质量m20.108 kg，遮光片的宽度d1.00 cm；打点计时器所用交流电的频率f50.0 hz。将光电门固定在滑块b的右侧，启动打点计时器，给滑块a一向右的初速度，使它与b相碰。碰后光电计时器显示的时间为tb3.500 ms，碰撞前后打出的纸带如图实166所示。图实166若实验允许的相对误差绝对值最大为5%，本实验是否在误差范围内验证了动量守恒定律？写出运算过程。答案按定义，滑块运动的瞬时速度大小v式中s为滑块在很短时间t内走过的路程。设纸带上打出相邻两点的时间间隔为ta，则ta0.02 sta可视为很短。设滑块a在碰撞前、后瞬时速度大小分别为v0、v1。将式和图给实验数据代入式得v02.00 m/sv10.970 m/s设滑块b在碰撞后的速度大小为v2，由式有v2代入题给实验数据得v22.86 m/s设两滑块在碰撞前、后的总动量分别为p和p，则pm1v0pm1v1m2v2两滑块在碰撞前后总动量相对误差的绝对值为p100%联立式并代入有关数据，得p1.7%m2cm1m2，故b正确(2)由验证动量守恒的实验原理m1s0m1s1m2s2，其中s0为m1单独下滑抛出的水平距离，s1、s2分别为碰后m1和m2抛出的水平距离两球抛出时的位置不同，相差两球的半径之和，所以需要测量的量为：abfg.(3)碰前总动量p1m1vm1，碰后总动量p2m1v1m2v2m1m2，碰撞前后系统损失的动量pp1p2，代入数据解得100 %1.47 %.由于系统损失的动量很小，所以在误差允许范围内可以认为动量守恒4.某同学用如图9所示的装置验证动量守恒定律，用轻质细线将小球1悬挂于o点，使小球1的球心到悬点o的距离为l，被碰小球2放在光滑的水平桌面上将小球1从右方的a点(oa与竖直方向的夹角为)由静止释放，摆到最低点时恰与小球2发生正碰碰撞后，小球1继续向左运动到c位置，小球2落到水平地面上(到桌面边缘水平距离为s)的d点图9 (1)实验中已经测得上述物理量中的、l、s，为了验证两球碰撞过程动量守恒，还应该测量的物理量有_.(2)请用测得的物理量结合已知物理量来表示碰撞前后小球1和小球2的动量：p1_，p1_，p2_，p2_.【答案】(1)小球1的质量m1，小球2的质量m2，桌面高度h，oc与ob间的夹角 (2)m1m105(2014上海调研)在“验证动量守恒定律”的实验中，请回答下列问题(1)实验记录如图10甲所示，则a球碰前做平抛运动的水平位移是图中的_，b球被碰后做平抛运动的水平位移是图中的_(两空均填“om”“op”或“on”)(2)小球a下滑过程中与斜槽轨道间存在摩擦力，这对实验结果_产生误差(填“会”或“不会”)(3)实验装置如图甲所示，a球为入射小球，b球为被碰小球，以下有关实验过程中必须满足的条件，正确的是()a入射小球的质量ma可以小于被碰小球的质量mbb实验时需要测量斜槽末端到水平地面的高度c入射小球每次不必从斜槽上的同一位置由静止释放d斜槽末端的切线必须水平，小球放在斜槽末端处，应能静止(4)在“验证动量守恒定律”的实验中某同学用如图10乙所示的装置进行了如下的操作：图10先将斜槽轨道的末端调整水平，在一块水平木板表面先后钉上白纸和复写纸，并将该木板竖直立于靠近槽口处，使小球a从斜槽轨道上某固定点处由静止释放，撞到木板并在白纸上留下痕迹o.将木板向右平移适当的距离，再使小球a从原固定点由静止释放，撞在木板上并在白纸上留下痕迹b把半径相同的小球b静止放在斜槽轨道水平段的最右端，让小球a仍从原固定点由静止释放，和小球b相碰后，两球撞在木板上并在白纸上留下痕迹a和c用天平测量a、b两小球的质量分别为ma、mb，用刻度尺测量白纸上o点到a、b、c三点的距离分别为y1、y2和y3.用本实验中所测得的量来验证两球碰撞过程动量守恒，其表达式为_【答案】(1)opon(2)不会(3)d(4)6.气垫导轨(如图11)工作时，空气从导轨表面的小孔喷出，在导轨表面和滑块内表面之间形成一层薄薄的空气层，使滑块不与导轨表面直接接触，大大减小了滑块运动时的阻力为了验证动量守恒定律，在水平气垫导轨上放置两个质量均为a的滑块，每个滑块的一端分别与穿过打点计时器的纸带相连，两个打点计时器所用电源的频率均为b.气垫导轨正常工作后，接通两个打点计时器的电源，并让两滑块以不同的速度相向运动，两滑块相碰后粘在一起继续运动图12为某次实验打出点迹清晰的纸带的一部分，在纸带上以相同间距的6个连续点为一段划分纸带，用刻度尺分别量出其长度s1、s2和s3.若题中各物理量的单位均为国际单位，那么，碰撞前两滑块的动量大小分别为_、_，两滑块的总动量大小为_；碰撞后两滑块的总动量大小为_重复上述实验