《1实验：探究碰撞中的不变量》教学设计(山西省市级优课)-物理教案

16．1实验：探究碰撞中的不变量【教学目标】（一）知识与技能1、明确探究碰撞中的不变量的基本思路．2、掌握同一条直线上运动的两个物体碰撞前后的速度的测量方法．3、掌握实验数据处理的方法．（二）过程与方法1、学习根据实验要求，设计实验，完成某种规律的探究方法。2、学习根据实验数据进行猜测、探究、发现规律的探究方法。（三）情感、态度与价值观1、通过对实验方案的设计，培养学生积极主动思考问题的习惯，并锻炼其思考的全面性、准确性与逻辑性。2、通过对实验数据的记录与处理，培养学生实事求是的科学态度，能使学生灵活地运用科学方法来研究问题，解决问题，提高创新意识。【教学重难点】重点：碰撞中的不变量的探究难点：速度的测量方法、实验数据的处理．【学法指导】教师启发、引导，学生自主实验，讨论、交流学习成果。【教学过程】（一）引入新课课件（投影片）演示：（1）台球由于两球碰撞而改变运动状态（不同号的台球运动状态不同）。（2）微观粒子之间由于相互碰撞而改变状态，甚至使得一种粒子转化为其他粒子．碰撞是日常生活、生产活动中常见的一种现象，两个物体发生碰撞后，速度都发生变化．例：两节火车车厢之间的挂钩靠碰撞连接。物理学中研究运动过程中的守恒量具有特别重要的意义，本节通过实验探究碰撞过程中的什么物理量保持不变（守恒）．（二）导学问题环节1．牛顿摆实验1.1实验演示实验1.把最左边的小钢球拉起一个角度，释放后观察到什么现象？答：边上的两个小球来回摆动，中间的好像没动。实验2.把最右边的三个小球移开，还是把最左边的小钢球拉起一个角度，释放后观察到什么现象？答：一个小球摆到最低点好像速度为0，另一个小球摆起，两个小球循环往复来回摆动。提出问题：我们看到原来静止的小球运动了，它的速度看似等于原来运动的小球的速度，但究竟是不是呢？与原来相比，其速度到底是变大了？变小了？还是不变？1.2理论分析：用已有知识解答上述问题问题1.设左边小球1质量m1，第二个小球2质量m2，两个小球在碰撞过程中，之间作用力有什么关系？答：大小相等方向相反作用在一条直线上，是作用力与反作用力的关系，F12=-F21......①问题2.对两个小球在碰撞过程中的水平方向使用牛顿第二定律，得到什么？答：m1a1=-m2a2......②问题3.我们要得出速度关系，怎样找加速度与速度的关系？答：小球1在碰撞过程中有：a1=(v1/-v1)/t......③小球2在碰撞过程中有：a2=(v2/-v2)/t......④问题4.得到怎样的结果？答：由①-④式得到，m1(v1/-v1)=-m2(v2/-v2),移项后有m1v1+m2v2=m1v1/+m2v2/问题5.小球2获得的速度与小球1原来相比，其速度到底是变大了？变小了？还是不变？答：小球1碰撞后静止，故有m1v1/=0；小球2碰前静止，故有m2v2=0.所以有m1v1=m2v2/，由于两个小球质量相等，所以v1=v2/，碰后小球1静止，小球2以小球1碰前的速度运动。环节2.发现“不变量”思考1.我们的目标是寻找碰撞中的守恒量，从上述两个小钢球的碰撞过程中，你觉得不变量是什么？答：系统的mv之和。碰前：m1v1+m2v2；碰后：m1v1/+m2v2/，有m1v1+m2v2=m1v1/+m2v2/。环节3.实验验证3.1实验装置：碰撞实验器、两个小球、白纸、复写纸、刻度尺、小凳子、固定夹3.2实验目的：验证两个小球碰撞过程中m1v1+m2v2=m1v1/+m2v2/思考：速度不好测量，可转化为测量平抛后的水平距离即m1OB=m1OA+m2OC,为什么？3.3实验步骤：如图组装仪器，桌面依次铺好白纸、复写纸（注意不要移动白纸和复写纸）.。用重垂线确定好斜槽末端的投影点O。思考：如何保证斜槽末端水平？（2）用天平秤出两个小球的质量m1、m2(m1>m2)（3）让m1球从如图高处静止滑下，落点B。重复10次，用最小的圆把落点圈好，圆心就是平均落点。（4）把m2放到斜槽末端，m1球从原高度静止滑下，碰后m1、m2落点分别为A、C。重复10次确定平均落点。（5）测出OB、OA、OC，计算m1OB和m1OA+m2OC，看在实验误差范围内是否相等。（6）整理器材。3.4实验结论？“mv”这一物理量的意义？3.5.其他实验方法有哪些？答：参考一、光电门测速原理如图所示，图中滑块上红色部分为挡光板，挡光板有一定的宽度，设为L．气垫导轨上黄色框架上安装有光控开关，并与计时装置相连，构成光电计时装置．当挡光板穿入时，将光挡住开始计时，穿过后不再挡光则停止计时，设记录的时间为t，则滑块相当于在L的位移上运动了时间t，所以滑块匀速运动的速度v=L/t．参考案例二―一―摆球测速原理实验装置如图所示。把两个小球用线悬起来，一个小球静止，拉起另一个小球，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。也可以用贴胶布等方法增大两球碰撞时的能量损失。参考案例三――一打点计时器测速原理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（如上图）。通过纸带测出它们碰撞前后的速度。参考案例四――一平抛测速原理实验装置如图所示。把两块大小不同的木块用细线连接，中间夹一被压缩了的轻弹簧．将这一系统置于光滑的水平桌面上，烧断细线，观察物体的运动情况，通过测量桌高和水平位移，可以算出抛出时的初速度。参考五、用气垫导轨作碰撞实验（如图所示）（三）.本节小结问题1.探究碰撞中守恒量的思路？答：（1）观察现象，提出问题理论分析实验验证（4）得出结论问题2.速度如何测量？“mv”这一物理量的意义？（四）课堂练习1.某同学用图甲所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来寻找碰撞中的不变量，图中PQ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C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C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．(注意MA>MB)(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（五）课后作业1光滑桌面上有1、2两个小球。1球的质量为0.3Kg，以8m/s的速度跟质量为0.1kg的静止的2球碰撞，碰撞后2球的速度变为9m/s，1球的速度变为5m/s，方向与原来相同。根据这些数据，以上两项猜想是否成立：（1）通过计算说明，碰撞后是否是1球把速度传给了2球？（2）通过计算说明，碰撞后是否是1球把动能传给了2球？（3）请根据实验数据猜想在这次碰撞中什么物理量不变，通过计算加以验证。2．水平光滑桌面上有A、B两个小车，质量分别是0．6kg和0．2kg．A车的车尾拉着纸带，A车以某一速度与静止的B车发生一维碰撞，碰后两车连在一起共同向前运动．碰撞前后打点计时器打下的纸带如图所示．根据这些数据，请猜想：把两小车加在一起计算，有一个什么物理量在碰撞前后是相等的?3．在“探究碰撞中的不变量”的实验中，为了顺利地完成实验，入射球质量为m1，被碰球质量为m2，二者关系应是()A．m1>m2B．m1=m2C．m1<m2D．以上三个关系都可以2两球相向运动，发生正碰，碰撞后两球均静止，于是可以断定，在碰撞以前()A．两球的质量相等B．两球的速度大小相同C．两球的质量与速度的乘积之和的大小相等D．以上都不能断定，4．在“探究验证”的实验一中，若绳长L，球1、2分别由偏角α和β静止释放，则在最低点碰撞前的速度大小分别为________、_________。若碰撞后向同一方向运动最大偏角分别为α，和β，，则碰撞后两球的瞬时速度大小分别为___________、______________。5．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A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速运动．然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续做匀速运动，他设计的具体装置如图所示．在小车A后连着纸带，电磁打点计时器电源频率为50Hz，长木板下垫着小木片用以平衡摩擦力．(1)若已得到打点纸带如图所示，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A的碰前速度，应选_______段来计算A和B碰后的共同速度(以上两格填“AB’’或“BC"或“CD"或"DE”)．(2)已测得小车A的质量m1=0．40kg，小车B的质量m2=0．20kg，由以上测量结果可得：碰前mAvA+mBvB=_____kg·m／s；碰后mAvA’+mBvB’=______kg·m／s．并比较碰撞前后两个小车质量与速度的乘积之和是否相等．6．某同学利用打点计时器和气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的实验；气垫导轨装置如图(a)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人压缩空气，压缩空气会从小孔中喷出，使滑块稳定地漂浮在导轨上，如图(b)所示，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：①安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；②向气垫导轨通人压缩空气；③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越过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；④滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；⑤把滑块2放在气垫导轨的中间；⑥先____，然后_______，让滑块1带动纸带一起运动；⑦取下纸带，重复步骤④⑤⑥，选出较理想的纸带如下图所示：⑧测得滑块1(包括撞针)的质量为310g，滑块2(包括橡皮泥)的质量为205g；试完善实验步骤⑥的内容。(2)已知打点计时器每隔0．02s打一个点，计算可知，两滑块相互作用前质量与速度的乘积之和为kg·m／s；两滑块相互作用以后质量与速度的乘积之和为______kg·m／s(保留三位有效数字)。(3)试说明(2)问中两结果不完全相等的主要原因是___________________________。