2022年高考物理一轮-实验：验证动量守恒定律学生版

6.5实验：验证动量守恒定律

必备知识清单

1.实验原理

在一维碰撞中，测出物体的质量相和碰撞前、后物体的速度0、V',算出碰撞前的动量

P=ffZlOl+m2O2及碰撞后的动量p'=m\_V\'+m2。2’，看碰撞前后动量是否相等.

2.实验器材

斜槽、小球(两个)、—、直尺、复写纸、白纸、圆规、重垂线.

3.实验步骤

(1)用天平测出两小球的质量，并选定质量大的小球为入射小球.

(2)按照如图甲所示安装实验器材.调整、固定斜槽使斜槽底端水平.

(3)白纸在下，复写纸在上且在适当位置铺放好.记下重垂线所指的位置。.

(4)不放被撞小球，让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，重复10次.用圆规画尽量

小的圆把小球所有的落点都圈在里面.圆心P就是小球落点的平均位置.

(5)把被撞小球放在斜槽末端，让入射小球从斜槽同一高度自由滚下，使它们发生碰撞，重

复实验10次.用步骤(4)的方法，标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平

均位置N.如图乙所示.

(6)连接ON,测量线段。尸、OM、ON的长度.将测量数据填入表中.最后代入加方=

mv~OM+m2-~0N,看在误差允许的范围内是否成立..

(7)整理好实验器材，放回原处.

(8)实验结论：在实验误差允许范围内，碰撞系统的动量守恒.

4.数据处理

验证表达式：OP=m\-OM+侬-ON.

5.注意事项

(1)斜槽末端的切线必须—；

(2)入射小球每次都必须从斜槽—高度由—释放；

(3)选质量较大的小球作为入射小球；

(4)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.

命题点精析(一)实验原理和实验操作

典型例题

例1如图甲，某实验小组采用常规方案验证动量守恒定律.实验完成后，该小组又把水平

木板改为竖直木板再次实验，如图乙所示.图中小球半径均相同、质量均已知，且如1＞恤?，

B、B'两点在同一水平线上.

⑴若采用图甲所示的装置，实验中还必须测量的物理量是

(2)若采用图乙所示的装置，下列说法正确的是.

A.必需测量BN、8尸和的距离

B.必需测量8'N、B'尸和8'M的距离

C.若下罕==7%+7等=,则表明此碰撞动量守恒

5Py]B'M的N

D-令=请工+新,则表明此碰撞动量守恒

练1用如图甲所示的装置验证动量守恒定律。

(1)为了减小实验误差，下列做法正确的是

A.两球的质量和半径都一样大

B.多次将A球从不同的高度释放

C.保证斜槽末端的切线水平

D.减小斜槽对小球A的摩擦

(2)图乙是3球的落点痕迹，刻度尺的“0”刻线与。点重合，可以测出碰撞后

B球的水平射程为cm；

(3)本次实验必须进行测量的是.0

A.水平槽上未放3球时，A球的落点位置到。点的水平距离

B.A球与5球碰撞后，A球和3球的落点位置到。点的水平距离

C.A球与3球下落的时间

D.A球和3球的质量(或两球质量之比)

【练2】如图，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.

OMPN

(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

项前的序号)，间接地解决这个问题.

A.小球开始释放的高度〃

B.小球抛出点距地面的高度〃

C.小球做平抛运动的水平位移

(2)用天平测量两个小球的质量机1、租2.图中。点是小球抛出点在水平地面上的垂直投影，实

验时，先让入射小球如多次从斜轨上S位置静止释放；然后把被碰小球他静置于轨道水平

部分的右侧末端,再将入射小球mi从斜轨上S位置静止释放,与小球/2相撞,并重复多次，

分别找到小球的平均落点M、尸、N,并测量出平均水平位移。河、。尸、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，那么还应该满足的表达式为［用

(2)中测量的量表示］.

命题点精析(二)数据处理和误差分析

【例2】2019年9月，我国成功完成了76km/h高速下列车实车对撞实验，标志

着我国高速列车被动安全技术达到了世界领先水平。某学习小组受此启发，设计

了如下碰撞实验，探究其中的能量损耗问题，实验装置如图甲所示。实验准备了

质量分别为0.20kg、0.20kg、0.40kg的滑块A、B、C,滑块A右侧带有自动锁

扣，左侧与打点计时器（图中未画出）的纸带相连，滑块5、C左侧均带有自动锁

扣，打点计时器的电源频率尸50Hz。

调整好实验装置后，在水平气垫导轨上放置A、3两个滑块，启动打点计时

器，使滑块A以某一速度与静止的滑块3相碰并黏合在一起运动，纸带记录的

数据如图乙所示；用滑块C替代滑块5,重复上述实验过程，纸带数据如图丙所

Zj\O

根据纸带记录的数据，滑块A与3碰撞过程系统损失的动能为J,

滑块A与C碰撞过程系统损失的动能为J。（计算结果均保留2位有效数

字）

根据实验结果可知，被碰物体质量增大，系统损失的动能（选填“增

大”“减小”或“不变”）。

纸带自动锁扣气举导轨

工/

I■

【练3】某同学设计了一个用打点计时器验证动量守恒定律的实验，在小车A的前端粘有

橡皮泥，使小车A做匀速直线运动，然后与处于静止的小车3相碰并粘在一起，二者继续

做匀速运动，如图所示.

「〃打点计

~——|时器纸带

OOOO_________________

在小车A的后面连着纸带，电磁打点计时器的频率为50Hz,实验中已平衡摩擦力.

（1）实验得到一打点纸带如图所示，并测得各计数点间的距离.图中。点为打点计时器

打下的第一个点，则应选一段来计算A碰前的速度，应选一段来计算A和2碰后的共同

速度.

A7CDS

•讪A卜10.50A>；.O8斗6.95/单位:妙

(2)已测得小车A的质量〃以=0.4kg,小车B的质量mB=0.2kg,则由以上结果可得两

小车碰前的总动量为—kg-m/s,碰后总动量为kg-m/s.

【练4】利用图甲所示的装置验证动量守恒定律。在图甲中，气垫导轨上有A、

5两个滑块，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3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。

遮光片

/纸带、

耳光电门

气垫导轨

甲

丙

实验测得滑块A的质量加=0.3kg,滑块3的质量m2=0.1kg,遮光片的宽

度d用游标卡尺测量，如图丙所示；打点计时器所用的交流电的频率产50Hz。

将光电门固定在滑块3的右侧，启动打点计时器，给滑块A一向右的初速度，

使它与3相碰；碰后光电计时器显示的时间A/B=2.86X10-3S,碰撞后打出的纸

带如图乙所示。

(1)遮光片的宽度d=emo

(2)计算可知两滑块相互作用前系统的总动量为kg•m/s,两

滑块相互作用后系统的总动量为kg-m/so(计算结果保留2位小

数)

碰撞前后总动量之差

(3)若实验相对误差绝对值5=需童前总；量-X100%W5%即可认为

系统动量守恒，则本实验(选填“能”或“不能”)验证动量守恒定律。

（4）两滑块作用前后总动量不完全相等的主要原因是

命题点精析（三）创新实验

创新角度实验装置图创新解读

1.利用斜面上的平抛运动获得两球碰

\

实验原理后的速度。

的创新2.利用对比性实验，体现了实验的多

样性和创新性。

1.利用气垫导轨代替长木板，利用光电

7%Q光电门

门代替打点计时器，提高实验的精确

气垫B轨度。

实验器材2.利用相对误差评价实验结果。

的创新1.利用铝质导轨研究完全非弹性碰撞。

2.利用闪光照相机记录立方体滑块碰

1SI2，$23，，S4S.356，S67，S78,Sg9,

!P|电通A'P5屯6k山：汽

*Ii■i,Iri,ii•Hi1'ri撞前后的运动规律，从而确定滑块碰撞

由1234567891011121314151617181920^

Y/〃/〃/〃〃/〃〃〃/〃〃/〃/〃〃〃//〃〃〃〃/〃/〃/〃//I

前后的速度。

1.用压缩弹簧的方式使两滑块获得速

度，可使两滑块的合动量为零。

CD2.利用。=彳的方式获得滑块弹离时的

实验过程J।

的创新uu

速度。

3.根据能量守恒定律测定弹簧的弹性

势能。

【例3】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、质量相差比较大的小球，按下述步骤做了实验:

①用天平测出两小球的质量（分别为mi和m2,且mi>m2）0

②按图示安装好实验器材，将斜槽AB固定在桌边，使槽的末端切线水平,

将一斜面BC连接在斜槽末端。

③先不放小球m2,让小球mi从斜槽顶端A处由静止开始滚下，记下小球在

斜面上的落点位置。

④将小球相放在斜槽末端边缘处,让小球mi从斜槽顶端A处由静止开始滚

下，使它们发生碰撞，分别记下小球加和相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点5的距离。图中。、E、F

点是该同学记下小球在斜面上的落点位置，到3点的距离分别为LD、LE、LF。

根据该同学的实验，回答下列问题：

(1)在不放小球m2时，小球mi从斜槽顶端A处由静止开始滚下，mi的落点

在图中的点，把小球仪放在斜槽末端边缘处，小球加从斜槽顶端A

处由静止开始滚下，使它们发生碰撞，碰后小球加的落点在图中的点。

(2)若碰撞过程中，动量和机械能均守恒，不计空气阻力，则下列表达式中

正确的有o

A.m\LF=m\Lr)-\~miLE

B.miLi=miZ，z)+moLr

C.}?IILE=nizLp

D.LE=LF—LD

【练5】如图甲所示为验证动量守恒的实验装置,气垫导轨置于水平桌面上，Gi和G2为两个

光电门，A、B均为弹性滑块，质量分别为也!、mB,且选择，曲大于根小两遮光片沿运动方

向的宽度均为d,实验过程如下:

①调节气垫导轨成水平状态；

②轻推滑块A,测得A通过光电门G的遮光时间为/1；

③A与2相碰后，2和A先后经过光电门G2的遮光时间分别为R和t3.

回答下列问题：

(1)用螺旋测微器测得遮光片宽度如图乙所示，读数为mm；

⑵实验中选择mA大于mB的目的是：_____________________________________

(3)碰前A的速度为.

(4)利用所测物理量的符号表示动量守恒成立的式子为：.

【练6】如图所示是用来验证动量守恒的实验装置，弹性球1用细线悬挂于。点，O点下方桌

子的边缘有一竖直立柱.实验时，调节悬点，使弹性球1静止时恰与立柱上的球2右端接触

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2点离水平桌面的距离为氏C点与桌子边沿间的水平距离为c,弹性球1、2的质

量m2.

(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)

【例4】利用图甲所示的气垫导轨验证动量守恒定律，在水平气垫导轨上放置两

个质量均为m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人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。

图乙为某次实验打出的点迹清晰的纸带的一部分，在纸带上以同间距的6个连续

点为一段划分纸带，用刻度尺分别量出其长度SI、S2和S3。题中各物理量的单位

均为国际单位。

(1)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。

(2)Si、S2和S3满足什么关系，说明两滑块相碰过程动量守恒？答:

o重复上述实验，多做几次。若碰撞前、后两滑块的总动量在实验

误差允许的范围内总是相等，则动量守恒定律得到验证。

【练7】某实验小组采用如图8所示的实验装置“验证动量守恒定律”：在长木板上放置甲、

乙两辆小车，长木板下垫有小木块用以平衡两小车受到的摩擦力，甲车的前端粘有橡皮泥,

后端连着纸带，纸带穿过位于甲车后方的打点计时器的限位孔.某时刻接通打点计时器的电

源，推动甲车使之做匀速直线运动，与原来静止在前方的乙车相碰并粘在一起，然后两车继

续做匀速直线运动.已知打点计时器的打点频率为50Hz.

⑴现得到如图所示的打点纸带，A为打点计时器打下的第一个点，测得各计数点间的距离

AB=8.40cm,BC=10.50cm,CD—9.08cm,Z>E=6.95cm.贝。应选段计算甲车碰前

的速度，应选段计算甲车和乙车碰后的共同速度（选填“AB”“BC”“CD”或

“DE”）.

（2）用天平测得甲车及橡皮泥的质量为加=0.40k