2017年高考一轮冲刺总复习：14.4《实验：验证动量守恒定律》ppt精品课件.ppt

课标版物理,第4讲实验_验证动量守恒定律,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。实验原理在一维碰撞中,测出相碰的两物体的质量m1和m2及碰撞前、后两物体的速度v1、v2及v1、v2,找出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p=m1v1+m2v2,看碰撞前、后动量是否守恒。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、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥。,方案二带细线的摆球(两套)、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。方案四斜槽、大小相等质量不同的小球两个、重垂线一条、白纸、复写纸、天平、刻度尺、圆规、三角板。实验步骤方案一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。方案二利用等长悬线悬挂大小相等的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:把两个大小相等的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。方案三在光滑长木板上两车碰撞完成一维碰撞实验(1)测质量:用天平分别测出两小车的质量。(2)安装:将打点计时器固定在光滑长木板的一端,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继续向前运动。(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。方案四利用等大小球做平抛运动完成一维碰撞实验(1)先用天平测出小球质量m1、m2。(2)按图中那样安装好实验装置,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前边的小支柱上,调节实验装置使两小球碰撞时处于同一水平高度,且碰撞瞬间,入射球与被碰球的球心连线与轨道末端的切线平行,以确保正碰后的速度方向水平。,(3)在地面上铺一张白纸,白纸上铺放复写纸。(4)在白纸上记下重垂线所指的位置O,它表示入射小球m1碰前的位置。(5)先不放被碰小球,让入射球从斜槽上同一高度处滚下,重复10次,用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面。圆心就是入射小球不碰撞时的落地点P。,(6)把被碰小球放在小支柱上,让入射小球从同一高度滚下,使它们发生正碰,重复10次,仿步骤5找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)过O、N在纸上作一直线,取=2r,O就是被碰小球碰撞时的球心投影位置(用刻度尺和三角板测小球直径2r)。(8)用刻度尺量出线段、的长度,把两小球的质量和长度数值代入m1=m1+m2看是否成立。数据处理(1)速度的测量方案一滑块速度的测量:v=,式中x为滑块上挡光片的宽度(仪器说明,书上给出,也可直接测量),t为数字计时器显示的滑块上挡光片经过光电门的时间。方案二摆球速度的测量:v=,式中h为小球释放时(或碰撞后摆起的)高度,h可用刻度尺测量(也可由量角器和摆长计算出)。方案三小车速度的测量:v=,式中x是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量,t为小车经过x距离的时间,可由打点间隔算出。(2)验证的表达式m1v1+m2v2=m1v1+m2v2。方案四验证的表达式m1=m1+m2,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,且两球刚好接触,摆线竖直,将小球拉起后,两条摆线应在同一竖直面内。(3)若利用长木板进行实验,可在长木板下垫一小木片用以平衡摩擦力。(4)若利用斜槽进行小球碰撞应注意:斜槽末端的切线必须水平;入射小球每次都必须从斜槽上同一高度由静止释放;选质量较大的小球作为入射小球;,实验过程中实验桌、斜槽、记录的白纸的位置要始终保持不变。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。误差分析1.系统误差主要来源于装置本身(是否符合要求)。(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,长木板实验时是否平衡掉摩擦力。2.偶然误差主要来源于质量m和速度v的测量。,考点一实验原理与操作典例1某同学用如图所示的装置做“验证动量守恒定律”的实验。先将a球从斜槽轨道上某固定点处由静止开始滚下,在水平地面上的记录纸上留下压痕,重复10次;再把同样大小的b球在斜槽轨道末端水平段的最右端静止放置,让a球仍从原固定点由静止开始滚下,和b球相碰后,两球分别落在记录纸的不同位置处,重复10次。,(1)(多选)本实验必须测量的物理量是。(填序号字母)A.斜槽轨道末端到水平地面的高度HB.小球a、b的质量ma、mbC.小球a、b的半径rD.小球a、b离开斜槽轨道末端后平抛飞行的时间tE.记录纸上O点到A、B、C各点的距离OA、OB、OCF.a球的固定释放点到斜槽轨道末端水平部分间的高度差h(2)根据实验要求,mamb(填“大于”、“小于”或“等于”)。(3)放上被碰小球后,两小球碰后是否同时落地?如果不是同时落地,对实验结果有没有影响?(不必做分析),(4)为测定未放小球b时,小球a落点的平均位置,把刻度尺的零刻线跟记录纸上的O点对齐,如图给出了小球a落点附近的情况,由图可得OB距离应为cm。(5)按照本实验方法,验证动量守恒的验证式是。答案(1)BE(2)大于(3)b球先落地,对实验结果无影响(4)45.95(45.9345.98之间均正确)(5)maOB=maOA+mbOC解析(1)必须测量的物理量有两小球的质量ma、mb,各落地点A、B、C,到O点的距离OA、OB、OC,故B、E正确。(2)为使a球碰b球后不反弹,且两球均能飞出,必须有mamb。(3)b球被碰飞出后,a球还要在水平段运动一小段距离,因此,b球先落地,但不影响实验结果。(4)a落点位置的范围大致在45.85cm46.05cm,中心位置大约在45.95cm处。(5)若动量守恒,应有mava=mava+mbvbva是小球a单独下落离开轨道时的速度,va、vb是两球碰后离开轨道时的速度,又v=,则有ma=ma+mb得maOB=maOA+mbOC,1-1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。,(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;向气垫导轨空腔内通入压缩空气;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(未画出)与弹射架,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;先,然后,让滑块带动纸带一起运动;关闭电源,更换纸带,重复步骤,选出理想的纸带如图乙所示;测得滑块1的质量为310g,滑块2(包括橡皮泥)的质量为205g。,完善实验步骤的内容。(2)已知打点计时器每隔0.02s打一个点,计算可知两滑块相互作用以前系统的总动量为kgm/s;两滑块相互作用以后系统的总动量为kgm/s(保留三位有效数字)。(3)试说明(2)中两结果不完全相等的主要原因是:。答案(1)接通打点计时器的电源放开滑块1(2)0.6200.618(3)纸带与打点计时器限位孔间有摩擦解析(1)实验时应先接通打点计时器的电源,再放开滑块1。(2)作用前系统的总动量为滑块1的动量p0=m1v0,v0=m/s=2m/s,p0=0.3102kgm/s=0.620kgm/s作用后系统的总动量为滑块1和滑块2的动量和,且此时两滑块具有相同的速度v,v=m/s=1.2m/s,p=(m1+m2)v=(0.310+0.205)1.2kgm/s=0.618kgm/s(3)存在误差的主要原因是纸带与打点计时器限位孔间有摩擦。1-2气垫导轨上有A、B两个滑块,开始时两个滑块静止,它们之间有一根被压缩的轻质弹簧,滑块间用绳子连接(如图甲所示),绳子烧断后,两个滑块向相反方向运动,图乙为它们运动过程的频闪照片,频闪的频率为10Hz,由图可知:,(1)A、B离开弹簧后,应该做运动,已知滑块A、B的质量分别为200g、300g,根据照片记录的信息,从图中可以看出闪光照片有明显与事实不相符合的地方是。(2)若不计此失误,分开后,A的动量大小为kgm/s,B的动量大小为kgm/s,本实验中得出“在实验误差允许范围内,两滑块组成的系统动量守恒”这一结论的依据是。,答案(1)匀速直线A、B两滑块各自的第一个间隔(2)0.0180.018A、B两滑块作用前后总动量相等,均为零解析(1)A、B离开弹簧后因水平方向不再受外力作用,所以均做匀速直线运动,在离开弹簧前A、B均做加速运动,A、B两滑块各自的第一个间隔应该比后面匀速时的间隔的长度小。(2)周期T=0.1s,v=,由图知A、B匀速时速度分别为vA=0.09m/s,vB=0.06m/s,分开后A、B的动量大小均为p=0.018kgm/s,方向相反,满足动量守恒,系统的总动量为零。,考点二数据处理和误差分析典例2某同学设计了一个用电磁打点计时器验证动量守恒定律的实验:在小车M的前端粘有橡皮泥,推动小车M使之做匀速直线运动,然后与原来静止在前方的小车N相碰并粘合成一体,继续做匀速直线运动。他设计的装置如图甲所示。在小车A后连着纸带,电磁打点计时器所用电源频率为50Hz,长木板下垫着薄木片以平衡摩擦力。,(1)若已测得打点纸带如图乙所示,并测得各计数点间距(已标在图上)。A为运动的起点,则应选段来计算M碰前的速度。应选段来计算M和N碰后的共同速度(以上两空选填“AB”、“BC”、“CD”或“DE”)。,(2)已测得小车M的质量m1=0.4kg,小车N的质量为m2=0.2kg,则碰前两小车的总动量为kgm/s,碰后两小车的总动量为kgm/s。答案(1)BCDE(2)0.4200.417解析(1)从纸带上打点的情况看,BC段对应小车做匀速运动,且小车有较大速度,因此BC段能较准确地描述小车M在碰撞前的运动情况,应选用BC段计算小车M碰前的速度。从CD段打点的情况看,小车的运动情况还没稳定,而在DE段内小车运动稳定,故应选用DE段计算M和N碰后的共同速度。(2)小车M在碰撞前的速度v0=m/s=1.050m/s小车N在碰撞前静止,则碰撞前总动量p0=m1v0=0.41.050kgm/s=0.420kgm/s,碰撞后M、N的共同速度v=m/s=0.695m/s碰撞后A、B的总动量p=(m1+m2)v=(0.4+0.2)0.695kgm/s=0.417kgm/s,2-1如图甲所示,在水平光滑轨道上停着甲、乙两辆实验小车,甲车系一穿过打点计时器的纸带,启动打点计时器甲车受到一水平向右的冲量。运动一段距离后,与静止的乙车发生正碰并粘在一起运动。纸带记录下碰撞前甲车和碰撞后两车运动情况如图乙所示,电源频率为50Hz,则碰撞前甲车运动速度大小为m/s,甲、乙两车的质量之比m甲m乙=。答案0.621解析由图乙可得碰前甲车的速度为,v1=m/s=0.6m/s碰后两车的共同速度v2=m/s=0.4m/s由动量守恒定律有m甲v1=(m甲+m乙)v2由此得甲、乙两车的质量之比m甲m乙=v2(v1-v2)=0.4(0.6-0.4)=21,2-2如图是用来验证动量守恒的实验装置,弹性球1用细线悬挂于O点,O点正下方桌子的边沿有一竖直立柱。实验时,调节悬点,使弹性球1静止时恰与立柱上的球2接触且两球等高。将球1拉到A点,并使之静止,同时把球2放在立柱上。释放球1,当它摆到悬点正下方时与球2发生对心碰撞,碰后球1向左最远可摆到B点,球2落到水平地面上的C点。测出有关数据即可验证1、2两球碰撞时动量守恒。现已测出A点离水平桌面的距离为a、B点离水平桌面的距离为b,C点与桌子边沿间的水平距离为c。此处,(1)还需要测量的量是、和。(2)根据测量的数据,该实验中动量守恒的表达式为(忽略小球的大小)。答案(1)弹性球1、2的质量m1、m2立柱高h桌面高H(2)2m1=2m1+m2解析(1)要验证动量守恒必须知道两球碰撞前后的动量变化,根据弹性球1碰撞前后相对于桌面的高度a和b,由机械能守恒可以求出其碰撞前后的速度,故只要再测量弹性球1的质量m1,就能求出弹性球1的动量变化;根据平抛运动的规律只要测出立柱高h和桌面高H就可以求出弹性球2碰撞前后的速度变化,故只要测量弹性球2的质量m2和立柱高h、桌面高H就能求出弹性球2的动量变化。,(2)根据(1)的解析可以写出动量守恒的方程2m1=2m1+m2