人教版选修35 第十六章1 实验：探究碰撞中的不变量 课件（51张）.pptx

1实验：探究碰撞中的不变量,第十六章动量守恒定律,学习目标,1.探究碰撞中的不变量之间的关系.2.掌握在同一条直线上运动的两个物体碰撞前、后速度的测量方法.3.通过实验得到一维碰撞中的不变量表达式.,内容索引,题型演练学以致用实训演练,达标检测检测评价达标过关,技能储备明确原理提炼方法,技能储备,一、实验原理1.一维碰撞两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后运动.这种碰撞叫做一维碰撞.2.实验的基本思路：寻求不变量在一维碰撞的情况下，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，如果速度的方向与我们设定的坐标轴的正方向一致，取正值，反之则取负值.,仍沿这条直线,(1)m1v1m2v2；(2)m1v12m2v22m1v12m2v22；,m1v1m2v2,探究以下关系式是否成立：,二、实验方案设计方案1：利用气垫导轨结合光电门的实验探究(1)质量的测量：用天平测量.(2)速度的测量：v，式中的为滑块上挡光板的宽度，为数字计时显示器显示的滑块上的挡光板经过光电门的时间.(3)碰撞情景的实现：如图1所示，利用弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥设计各种类型的碰撞，利用的方法改变碰撞物体的质量.,x,t,在滑块上加重物,图1,(4)器材：气垫导轨、光电计时器、滑块(带挡光板)两个、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥、天平.方案2：利用摆球结合机械能守恒定律的实验探究,图2,(1)所需测量量：悬点至球心的距离l，摆球被拉起(碰后)的角度，摆球质量m(两摆球质量可相等，也可不相等).(2)速度的计算：v.(3)碰撞情景的实现：如图2所示，用的方法增大两球碰撞时的能量损失.(4)器材：带细线的摆球(两套)、铁架台、量角器、坐标纸、胶布、天平.,贴胶布,(4)器材：长木板、小木块、打点计时器、纸带、刻度尺、小车(两个)、撞针、橡皮泥、天平.,方案3：利用“光滑”水平面结合打点计时器的实验探究(1)所需测量量：纸带上两计数点间的距离x，小车经过x所用的时间t，小车质量m.(2)速度的计算：v.(3)碰撞情景的实现：如图3所示，a运动，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.,图3,方案4：利用斜槽上滚下的小球结合平抛运动进行的实验探究如图4甲所示，让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来，与放在斜槽水平末端的另一质量较小的小球发生碰撞，之后两小球都做平抛运动.,图4,(1)质量的测量：用天平测量质量.(2)速度的测量：由于两小球下落的高度相同，所以它们的飞行时间相等.如果用小球的飞行时间为单位时间，那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平速度.只要测出不放被碰小球时入射小球在空中飞出的水平距离s1，以及碰撞后入射小球与被碰小球在空中飞出的水平距离s1和s2.就可以表示出碰撞前后小球的速度.(3)碰撞情景的实现：不放被碰球，让入射球m1从斜槽上某一位置由静止滚下，记录平抛的水平位移s1.在斜槽水平末端放上被碰球m2，让m1从斜槽同一位置由静止滚下，记下两小球离开斜槽做平抛运动的水平位移s1、s2.探究m1s1与m1s1m2s2在误差范围内是否相等.(4)器材：斜槽、两个大小相等而质量不等的小球、重垂线、白纸、复写纸、刻度尺、天平、圆规.,三、实验步骤不论哪种方案，实验过程均可按实验方案合理安排，参考步骤如下：(1)用天平测出相关质量.(2)安装实验装置.(3)使物体发生一维碰撞，测量或读出相关物理量，计算相关速度，填入预先设计好的表格.(4)改变碰撞条件，重复实验.(5)通过对数据的分析处理，找出碰撞中的不变量.(6)整理器材，结束实验.,四、数据处理将实验中测得的物理量填入下表，物体碰撞后运动的速度与原来的方向相反时需要注意正负号.,通过研究以上实验数据，找到碰撞前后的“不变量”.,五、注意事项1.前提条件：应保证碰撞的两物体发生的是一维碰撞，即两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿.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.(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.(3)利用打点计时器进行实验，必须首先平衡摩擦力.,这条直线运动,水平,竖直平面内,(4)利用平抛运动进行实验，斜槽末端必须水平，且小球每次从斜槽上同一位置由静止滚下；入射小球质量要大于被碰小球质量.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.,题型演练,一、利用气垫导轨结合光电门的实验探究,1.本实验碰撞前、后速度大小的测量采用极限法，v，其中d为遮光条的宽度.2.实验误差存在的主要原因是摩擦力的存在.利用气垫导轨进行实验，调节时注意利用水平仪，确保导轨水平.,例1某同学利用气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的实验；气垫导轨装置如图5所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成.,图5,(1)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；接通光电计时器；把滑块2静止放在气垫导轨的中间；滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；,释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧固定弹簧(未画出)的滑块2碰撞，碰后滑块2和滑块1依次通过光电门2，两滑块通过光电门2后依次被制动；读出滑块通过两个光电门的挡光时间分别为：滑块1通过光电门1的挡光时间t110.01ms，通过光电门2的挡光时间t249.99ms，滑块2通过光电门2的挡光时间t38.35ms；测出挡光片的宽度d5mm，测得滑块1的质量为m1300g，滑块2(包括弹簧)的质量为m2200g.,(2)数据处理与实验结论：实验中气垫导轨的作用是：a._；b._.,答案,解析,答案见解析,解析a.大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差.b.保证两个滑块的碰撞是一维的.,碰撞前滑块1的速度v1为_m/s；碰撞后滑块1的速度v2为_m/s；滑块2的速度v3为_m/s；(结果均保留两位有效数字),答案,解析,答案见解析,在误差允许的范围内，通过本实验，同学们可以探究出哪些物理量是不变的？通过对实验数据的分析说明理由.(回答2个不变量)a._；b._.,答案,解析,答案见解析,解析a.系统质量与速度的乘积之和不变.原因：系统碰撞之前m1v10.15kgm/s，系统碰撞之后m1v2m2v30.15kgm/s.b.系统碰撞前后总动能不变.,二、利用摆球结合机械能守恒定律的实验探究,1.碰撞前后摆球速度的大小可从摆线的摆角反映出来，所以方便准确地测出碰撞前后摆线的摆角大小是实验的关键.2.根据机械能守恒定律计算碰撞前后摆球的速度与摆的角度的关系.,例2利用如图6所示的装置做“探究碰撞中的不变量”的实验，质量为ma的钢球a用细线悬挂于o点，质量为mb的钢球b放在离地面高度为h的小支柱n上.o点到a球球心的距离为l.使悬线在a球释放前伸直，且线与竖直方向的夹角为，a球释放后摆动到最低点时恰与b球正碰，碰撞后，a球把轻质指示针oc推移到与竖直方向夹角为处，b球落到地面上，地面上铺一张盖有复写纸的白纸d.保持角度不变，多次重复上述实验，白纸上记录到多个b球的落点，重力加速度为g.,图6,(1)图中x应是b球初始位置到_的水平距离.,答案,解析,b球平均落点,解析小球a在碰撞前、后摆动，满足机械能守恒定律.小球b在碰撞后做平抛运动，则x应为b球的平均落点到其初始位置的水平距离.碰撞前对a，由机械能守恒定律得magl(1cos)mava2，则：,故要得到碰撞前后的mv，要测量ma、mb、l、h、x等物理量.,(2)为了探究碰撞中的守恒量，应测得的物理量有_.(3)用测得的物理量表示(va为a球与b球刚要相碰前a球的速度，va为a球与b球刚相碰后a球的速度，vb为a球与b球刚相碰后b球的速度)：mava_；mava_；mbvb_.,答案,ma、mb、l、h、x,三、利用“光滑”水平面结合打点计时器的实验探究,1.这种碰撞的特征是：碰前一个物体有速度，另一物体静止；碰后二者速度相同.2.碰前和碰后的速度是反映在同一条纸带上的.3.保证碰撞前后物体所受的合力为零是实验成功的重要条件，为此需要物体碰撞前后均做匀速直线运动，纸带上点迹应均匀.“光滑”水平面可通过将长木板一端垫高平衡摩擦力得到.,例3某同学设计了一个用打点计时器探究碰撞过程中不变量的实验：在小车甲的前端黏有橡皮泥，推动小车甲使之做匀速直线运动，然后与原来静止在前方的小车乙相碰并黏合成一体，而后两车继续做匀速直线运动，他设计的具体装置如图7所示.在小车甲后连着纸带，打点计时器打点频率为50hz，长木板一端下面垫着小木片用以平衡摩擦力.,图7,(1)若已得到打点纸带如图8所示，并将测得的各计数点间距离标在图上，a点是运动起始的第一点，则应选_段来计算甲的碰前速度，应选_段来计算甲和乙碰后的共同速度(以上两格选填“ab”“bc”“cd”或“de”).,图8,bc,de,解析观察打点计时器打出的纸带，点迹均匀的阶段bc应为小车甲与乙碰前的阶段，cd段点迹不均匀，故cd应为碰撞阶段，甲、乙碰撞后一起做匀速直线运动，打出间距均匀的点，故应选de段计算碰后共同的速度.,答案,解析,(2)已测得小车甲的质量m甲0.40kg，小车乙的质量m乙0.20kg，由以上测量结果可得：碰前m甲v甲m乙v乙_kgm/s；碰后m甲v甲m乙v乙_kgm/s(结果保留3位有效数字).,0.420,0.417,答案,解析,(3)由(2)可得出的结论是_.,答案,解析,在误差允许范围内，碰撞前后两个小车的mv之和是相等的,解析在误差允许范围内，碰撞前后两个小车的mv之和是相等的.,四、利用斜槽上滚下的小球结合平抛运动的实验探究,1.本实验中如以小球下落时间为单位时间，则可用小球的水平位移来表示小球的水平初速度.2.实验注意事项：(1)入射小球的质量m1大于被碰小球的质量m2(m1m2).(2)入射小球半径等于被碰小球半径.(3)入射小球每次必须从斜槽上同一高度处由静止滑下.(4)斜槽末端的切线方向水平.(5)为了减小误差，需要求不放被碰小球及放被碰小球时小球落点的平均位置.为此，需要让入射小球从同一高度多次滚下，进行多次实验.,例4某同学用图9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cq是斜槽，qr为水平槽，二者平滑相接，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，落到位于水平地面上的记录纸上，留下痕迹.重复上述操作10次，得到10个落点痕迹.然后把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9,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.(1)入射球a的质量ma和被碰球b的质量mb的关系是ma_mb(选填“”“mb.,答案,解析,(2)碰撞后b球的水平射程约为_cm.,解析将10个点圈在圆内的最小圆的圆心作为平均落点，可由米尺测得碰撞后b球的水平射程约为64.7cm.,答案,解析,64.7(64.265.2均可),(3)下列选项中，属于本次实验必须测量的是_(填选项前的字母).a.水平槽上未放b球时，测量a球平均落点位置到o点的距离b.a球与b球碰撞后，测量a球平均落点位置到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,答案,解析,abd,解析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，故水平位移xvt，所以只要测出小球飞行的水平位移，就可以用水平位移的测量值代替平抛初速度.故需测出未放b球时a球飞行的水平距离op和碰后a、b球飞行的水平距离om和on，及a、b两球的质量，故a、b、d正确.,(4)若mv为不变量，则需验证的关系式为_.,解析若mv为不变量，需验证的关系式为mavamavambvb，,答案,解析,maopmaommbon,用长度测量代替速度测量是本实验的一个亮点，这样就无需再去直接计算小球的速度了.但这种代替是有条件的，就是下落的时间必须相同，因此必须保证两个小球做的都是平抛运动.,达标检测,1.(多选)若用打点计时器做探究碰撞中的不变量的实验，下列说法或操作正确的是a.相互作用的两车上，一个装上撞针，一个装上橡皮泥，是为了改变两车的质量b.相互作用的两车上，一个装上撞针，一个装上橡皮泥，是为了碰撞后粘在一起c.先接通打点计时器的电源，再释放拖动纸带的小车d.先释放拖动纸带的小车，再接通打点计时器的电源,1,2,3,答案,解析,解析相互作用的两车上，一个装上撞针，一个装上橡皮泥，是为了碰撞后两车能粘在一起共同运动，这种情况能得到能量损失很大的碰撞；应当先接通打点计时器的电源，再释放拖动纸带的小车，否则因运动距离较短，小车释放以后再打开电源不容易得到实验数据.故a、d错误，b、c正确.,1,2,3,2.在用气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”实验时，左侧滑块质量m1200g，右侧滑块质量m2160g，挡光片宽度均为3.00cm，两滑块之间有一压缩的弹簧片，并用细线将两滑块连在一起，如图10所示.开始时两滑块静止，烧断细线后