高考物理总复习第6单元动量实验8验证动量守恒定律

实验八验证动量守恒定律实验课标解读

基础实验过关

创新实验拓展教师备用习题

课时巩固训练实验课标解读1.实验目的:通过实验,验证相互作用的两个物体组成的系统在作用前后的动量之和保持不变.2.实验原理:测出相互作用的两个物体的质量m1、m2,测出它们在相互作用前的速度v1、v2和相互作用后的速度v'1、v'2,验证6个物理量应该有如下关系:m1

v1+m2

v2=m1

v'1+

m2

v'2.本实验的关键是创设一个系统所受外力冲量可忽略不计的实验情境,并对相互作用前后两物体的瞬时速度进行测量.因此有多种实验装置可以选择.实验课标解读例如,通过气垫导轨忽略外界摩擦力,用光电门测量碰撞物体的速度.又如,用一个单摆从已知高度摆下,跟另一个静止单摆发生对心碰撞,测量碰撞后两个摆球到达的最大高度,用机械能守恒定律计算它们碰撞前后的瞬时速度.再如,一个连接打点计时器纸带的小车,跟一个静止小车做完全非弹性碰撞,通过打点计时器纸带测量小车碰撞前后的速度.基础实验过关例1

[2021·江苏盐城模拟]某同学用如图所示的装置做“验证动量守恒定律”的实验.先让a球从斜槽轨道上某固定点由静止开始滚下,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球静止放在斜槽轨道水平段的最右端,让a球仍从原固定点由静止开始滚下与b球相碰,碰后两球分别落在记录纸上的不同位置,重复10次.(1)关于实验,下列说法正确的是

(填选项前的字母).

A.实验时,a、b两个小球相碰后应同时落地B.实验时,a、b两个小球的直径可以不相同C.实验时,入射球每次不必从斜槽上的同一位置由静止释放D.实验时,斜槽末端的切线必须水平AD基础实验过关[解析]实验时,a、b两个小球相碰后下落的高度相同,故它们应同时落地,选项A正确;实验时,为保证是对心碰撞,a、b两个小球的直径需要相同,故选项B错误;实验时,入射球每次必须从斜槽上的同一位置由静止释放,以保证每次入射球到达斜槽末端时的速度相同,选项C错误;实验时,斜槽末端的切线必须水平,以保证每次球飞出后都做平抛运动,选项D正确.基础实验过关(2)实验必须测量的物理量是

(填选项前的字母).

A.a、b两个小球的质量ma、mbB.斜槽轨道末端到水平地面的高度HC.a球的固定释放点到斜槽轨道末端的高度hD.a、b两个小球离开斜槽轨道后做平抛运动的飞行时间E.记录纸上О点到两小球的平均落点A、B、C的距离AE[解析]要验证动量守恒,则实验时必须测量a、b两个小球的质量ma、mb,选项A正确;斜槽轨道末端到水平地面的高度H不需要测量,列式后可以约掉,选项B错误;基础实验过关a球的固定释放点到斜槽轨道末端的高度h也不必测量,因为不需要用h计算小球的速度,选项C错误;a、b两个小球离开斜槽轨道后做平抛运动的飞行时间也不需要测出,在列式时可以约掉,选项D错误;测量记录纸上О点到两小球的平均落点A、B、C的距离是必要的,选项E正确.基础实验过关(3)a球从固定点下滑过程中与斜槽轨道间存在摩擦力,这对实验结果

(选填“有”或“无”)影响,理由是___________________________________________________________________________________________________________________________无只要小球与斜槽轨道间的摩擦情况不变,即可保证小球每次从斜槽轨道上同一位置释放后到达斜槽末端时的速度相同

[解析]不影响,因为实验时只要小球与斜槽轨道间的摩擦情况不变,则使小球a每次都从斜槽上同一位置由静止释放后,小球到达斜槽末端时的速度都相等,不论小球与斜槽轨道间是否存在摩擦力,对实验没有影响.基础实验过关(4)现以各球落点所在直线为x轴,以О为原点,A、B、C三点的坐标分别为xA=0.4m,xB=1.0m,xC=1.2m,若碰撞的过程中动量守恒,实验所用的小球直径均为2cm,则a、b两小球的质量之比为

.

2∶1[解析]若碰撞的过程中动量守恒,则maxB=maxA+mbxC,故存在ma×1.0m=ma×0.4m+mb×1.2m,解得ma∶mb=2∶1,小球的直径均为2cm,一是说明它们等大,二是说明它们很小,在代入数据时不用考虑它们的大小.基础实验过关例2

[2020·全国卷Ⅰ]某同学用如图所示的实验装置验证动量定理,所用器材包括:气垫导轨、滑块(上方安装有宽度为d的遮光片)、两个与计算机相连接的光电门、砝码盘和砝码等.实验步骤如下:(1)开动气泵,调节气垫导轨,轻推滑块,当滑块上的遮光片经过两个光电门的遮光时间

时,可认为气垫导轨水平;(2)用天平测砝码与砝码盘的总质量m1、滑块(含遮光片)的质量m2;(3)用细线跨过轻质定滑轮将滑块与砝码盘连接,并让细线水平拉动滑块;大约相等[解析]气垫导轨调成水平时,滑块做匀速运动,经过两个光电门时遮光时间大约相等.基础实验过关(4)令滑块在砝码和砝码盘的拉动下从左边开始运动,和计算机连接的光电门能测量出遮光片经过A、B两处的光电门的遮光时间Δt1、Δt2及遮光片从A运动到B所用的时间t12;(5)在遮光片随滑块从A运动到B的过程中,如果将砝码和砝码盘所受重力视为滑块所受拉力,则拉力冲量的大小I=

,滑块动量改变量的大小Δp=

;(用题中给出的物理量及重力加速度g表示)

m1gt12

基础实验过关(6)某次测量得到的一组数据为:d=1.000cm,m1=1.50×10-2kg,m2=0.400kg,Δt1=3.900×10-2s,Δt2=1.270×10-2s,t12=1.50s,取g=9.80m/s2,计算可得I=

N·s,Δp=

kg·m·s-1;(结果均保留3位有效数字)

0.2210.212

基础实验过关

4

基础实验过关要点总结(1)入射小球A和被碰小球B的大小应完全相同,且m1>m2.(2)入射小球每次都必须从斜槽上的同一位置由静止滚下.(3)斜槽末端切线方向必须水平,被碰小球放在斜槽末端边缘处.(4)两球碰撞时,球心应在同一水平线上.创新实验拓展例3

[2022·嘉兴一中月考]为了验证碰撞中的动量守恒和检验两个小球的碰撞是否为弹性碰撞,某同学选取了两个体积相同、质量不相等的小球1、2,按下述步骤做了如下实验:①用天平测出1、2两个小球的质量(分别为m1和m2,且m1>m2).②按照如图所示安装好实验装置,将斜槽AB固定在桌边,使槽的末端处切线水平,将一斜面连接在斜槽末端B点.③先不放小球2,让小球1从斜槽顶端A处由静止开始滚下,记下小球1在斜面上的落点位置.④将小球2放在斜槽末端边缘处,让小球1从斜槽顶端A处由静止开始滚下,使它们发生碰撞,记下小球1和小球2在斜面上的落点位置.⑤用毫米刻度尺量出各个落点位置到斜槽末端B点的距离,图中D、E、F点是该同学记下的小球在斜面上的几个落点位置,到B点的距离分别为LD、LE、LF.(1)小球1和小球2发生碰撞后,小球1的落点是图中的

点,小球2的落点是图中的

点.

创新实验拓展DF[解析]由题意可知,碰撞后,小球1的落点是图中的D点,小球2的落点是图中的F点.(2)用测得的物理量来表示,只要满足关系式

,即说明碰撞中动量守恒.

创新实验拓展

(3)用测得的物理量来表示,只要再满足关系式

,即说明两小球的碰撞是弹性碰撞.

创新实验拓展m1LE=m1LD+m2LF[解析]要证明是弹性碰撞,则碰撞前后的机械能守恒,验证的表达式为m1LE=m1LD+m2LF.1.现利用如图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,左侧与穿过打点计时器(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(未画出)可以记录遮光片通过光电门的时间.实验测得滑块A的质量m1=0.310kg,滑块B的质量m2=0.108kg,遮光片的宽度d=1.00cm;打点计时器所用交流电的频率f=50.0Hz.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ΔtB=3.500ms,碰撞前后打出的纸带如图所示.教师备用习题

教师备用习题

教师备用习题

教师备用习题

2.如图所示是用来“验证动量守恒定律”的实验装置,弹性球1用细线悬挂于O点,O点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.教师备用习题(1)还需要测量的量是

、

和

.

教师备用习题弹性球1、2的质量m1、m2立柱高h桌面高H[解析]要验证动量守恒定律,必须知道两球碰撞前后的动量变化,根据弹性球1碰撞前后的最大高度a和b,由机械能守恒定律可以求出碰撞前后的速度,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)

教师备用习题

1.[2021·湖南长沙模拟]气垫导轨是常用的一种实验仪器,它利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫,使滑块悬浮在导轨上,滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦.现用带竖直挡板的气垫导轨和带有挡光片的滑块1和2验证动量守恒定律,实验装置如图甲所示,实验步骤如下:课时巩固训练a.用天平分别测出滑块1、2的质量m1、m2;b.用游标卡尺测出滑块1、2上的挡光片的宽度d1;c.调整气垫导轨使导轨处于水平;d.在滑块1、2间放入一个被压缩的轻弹簧(图中未画出),用电动卡销锁定,静止放置在两光电门之间的气垫导轨上;e.按下电钮松开卡销,记录滑块1通过光电门1的挡光时间t1以及滑块2通过光电门2的挡光时间t2.课时巩固训练(1)实验中测量挡光片的宽度d1时游标卡尺示数如图乙所示,则d1=

mm.

课时巩固训练0.5[解析]由图示游标卡尺可知,挡光片的宽度为d1=0mm+5×0.1mm=0.5mm.(2)利用上述测量的实验数据验证动量守恒定律的表达式为

(用对应的物理量的符号表示).

课时巩固训练

2.[2021·石家庄二中质检]在“验证动量守恒定律”的实验中,某同学采用如图所示的“碰撞实验器”来验证动量守恒定律.(1)实验中,斜槽轨道末端

(填选项前的字母).

A.必须水平

B.要向上倾斜

C.要向下倾斜课时巩固训练A[解析]本实验验证动量守恒定律时以平抛的水平射程代替速度,所以斜槽轨道末端必须水平,从而保证两小球做的都是平抛运动.(2)若入射小球质量为m1,半径为r1,被碰小球质量为m2,半径为r2,则实验要求m1

m2,r1

r2.(均选填“>”“<”或“=”)

课时巩固训练>=[解析]为防止反弹造成入射小球返回斜槽,要求入射小球质量大于被碰小球质量,即m1>m2;为使入射小球与被碰小球发生对心碰撞,要求两小球半径相同,即r1=r2.

课时巩固训练ADE

课时巩固训练

课时巩固训练(4)若两球相碰前后的动量守恒,则其表达式为

;若碰撞是弹性碰撞,则还要满足的表达式为

.(用上一问中测量的量表示)

课时巩固训练

3.[2021·上海宝山模拟]如图甲所示,用半径相同的两个小球的碰撞验证动量守恒定律.实验时先让质量为m1的A球从斜槽上某一固定位置C由静止释放,A球从轨道末端水平抛出,落到位于水平地面的复写纸上,在下面的白纸上留下痕迹.重复上述操作10次,得到10个落点痕迹,再把质量为m2的B球放在水平轨道末端,将A球仍从位置C由静止释放,A球和B球碰撞后,分别在白纸上留下各自的落点痕迹,重复操作10次.M、P、N为三个落点的平均位置,O点是水平轨道末端在记录纸上的竖直投影点,如图乙所示.课时巩固训练(1)下列说法中正确的是

(填选项前的字母).

A.安装轨道时,轨道末端必须水平B.实验前应该测出斜槽末端距地面的高度C.实验中两个小球的质量应满足m1<m2D.除了图中器材外,完成本实验还必须使用的器材是天平、刻度尺和停表E.未放B球时,A球落点的平均位置是P点AE课时巩固训练[解析]为使小球离开斜槽后做平抛运动,安装轨道时,轨道末端必须水平,故A正确;小球离开斜槽后做平抛运动,由于抛出点高度相等,所以小球做平抛运动的时间相等,小球的水平位移与初速度成正比,可以用水平位移代替其初速度,实验不需要测量小球的运动时间,不需要测出斜槽末端距地面的高度,故B错误;(1)下列说法中正确的是

(填选项前的字母).

A.安装轨道时,轨道末端必须水平B.实验前应该测出斜槽末端距地面的高度C.实验中两个小球的质量应满足m1<m2D.除了图中器材外,完成本实验还必须使用的器材是天平、刻度尺和停表E.未放B球时,A球落点的平均位置是P点AE课时巩固训练为了防止入射球反弹,应使入射球的质量大于被碰球的质量,故C错误;本实验不需要测量时间,不需要停表,故D错误;未放B球时,A球落点的平均位置是P点,故E正确;(2)实验中,测量出两个小球的质量m1、m2,测量出三个落点的平均位置M、P、N与O点距离分别为x1、x2、x3.在实验误差允许范围内,若满足关系式

(用所测物理量的字母表示),则可以认为两球碰撞前后的总动量守恒.

m1

x2=m1

x1+

m2

x3课时巩固训练[解析]碰撞过程中,如果动量守恒,则有m1v1=m1v'1+m2v2,小球做平抛运动时抛出点的高度相等,它们在空中运动的时间t相等,有m1v1t=m1v'1t+m2v2t,即m1x2=m1x1+m2x3.(3)某实验小组设计用上述装置来研究碰撞前后动能的变化,实验方案如下:如图丙所示,使从斜槽轨道滚下的小球打在正对的竖直墙上,把白纸和复写纸附在墙上,记录小球的落点.选择半径相等的小钢球A和硬塑料球B进行实验,测量出A、B两个小球的质量m1、m2,其他操作重复验证动量守恒时的步骤.M'、P'、N'为竖直记录纸上三个落点的平均位置,小球静止于水平轨道末端时球心在竖直记录纸上的水平投影点为O',用刻度尺测量M'、P'、N'到O'的距离分别为y1、y2、y3.课时巩固训练①在实验误差允许范围内,若满足关系式

(用所测物理量的字母表示),则可认为碰撞前后两球的总动能相等.

课时巩固训练

②在分析操作可行性时发现,按此种方法操作,有非常大的可能无法得到碰撞后A球的落点,请分析原因__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________.

课时巩固训练

当入射小球A与被碰小球B碰撞后分别做平抛运动时,由于被碰小球B的速度大,会先打到竖直墙上,之后会被墙壁反弹,由于竖直方向上两球运动基本同步,因此B反弹后的运动过程中有非常大的可能与入射小球A再次相碰[解析]当入射小球