2022年高考物理总复习第一部分常考考点复习指导-实验八验证动量守恒定律

PAGE3-实验八验证动量守恒定律实验目的和器材实验原理实验目的验证动量守恒定律在一维碰撞中，测出两物体的质量m和碰撞前后物体的速度v、v′，找出碰撞前的总动量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的总动量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前后动量是否相等实验器材方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验方案二：利用光滑长木板完成一维碰撞实验方案三：利用等长摆球完成一维碰撞实验方案四：利用斜槽滚球验证动量守恒定律方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验1．滑块速度的测量：v＝eq\f(Δx,Δt)，式中Δx为滑块挡光片的宽度(仪器说明书上给出，也可直接测量)，Δt为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间。2．验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。方案二：利用光滑长木板完成一维碰撞实验1．小车速度的测量：通过纸带上两计数点间的距离及时间，由v＝eq\f(Δx,Δt)计算。2．验证的表达式：m1v1＝(m1＋m2)v2。方案三：利用等长摆球完成一维碰撞实验1．摆球速度的测量：v＝eq\r(2gh)，式中h为小球释放时(或碰撞后摆起)的高度，h可由摆角和摆长(l＋eq\f(d,2))计算出。2．验证的表达式：m1v1＝m1v1′＋m2v2′。方案四：利用斜槽滚球验证动量守恒定律1．小球水平射程的测量：连接ON，测量线段OP、OM、ON的长度。2．验证的表达式：m1·OP＝m1·OM＋m2·ON。1．系统误差：主要来源于实验器材及实验操作等。(1)碰撞是否为一维。(2)气垫导轨是否完全水平，摆球受到空气阻力，小车受到长木板的摩擦力，入射小球的释放高度存在差异。2．偶然误差：主要来源于质量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的测量。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验证，给滑块的初速度应沿着导轨的方向。(2)若利用摆球进行验证，实验前两摆球应刚好接触且球心在同一水平线上，将摆球拉起后，两摆线应在同一竖直面内。(3)若利用两小车相碰进行验证，要注意平衡摩擦力。(4)若利用平抛运动规律进行验证，安装实验装置时，应注意调整斜槽，使斜槽末端切线水平，且选质量较大的小球为入射小球。热点一教材原型实验【典例1】(2022·岳阳模拟)某同学用图甲所示装置验证动量守恒定律，主要实验步骤如下：①将斜槽固定在水平桌面上，调整末端切线水平；②将白纸固定在水平地面上，白纸上面放上复写纸；③用重垂线确定斜槽末端在水平地面上的投影点O；④让小球A紧贴定位卡由静止释放，记录小球的落地点，重复多次，确定落地点的中心位置Q；⑤将小球B放在斜槽末端，让小球A紧贴定位卡由静止释放，记录两小球的落地点，重复多次，确定A、B两小球落地点的中心位置P、R；⑥用刻度尺测量P、Q、R距O点的距离x1、x2、x3；⑦用天平测量小球A、B质量m1、m2；⑧分析数据，验证等式m1x2＝m1x1＋m2x3是否成立，从而验证动量守恒定律。请回答下列问题：(1)步骤⑤与步骤④中定位卡的位置应________________________________。(2)步骤④与步骤⑤中重复多次的目的是______________________________。(3)为了使小球A与B碰撞后运动方向不变，A、B质量大小关系为m1______________m2。(选填“>”“<”或“＝”)(4)如图乙是步骤⑥的示意图，则步骤④中小球落地点距O点的距离为______________m。【解析】(1)为使入射球到达斜槽末端时的速度相等，应从同一位置由静止释放入射球，即步骤⑤与步骤④中定位卡的位置应保持不变。(2)步骤④与步骤⑤中重复多次的目的是减少实验误差。(3)为了使小球A与B碰后运动方向不变，A、B质量大小关系为m1>m2。(4)由图示刻度尺可知，其分度值为1mm，步骤④中小球落点距O点的距离为OQ＝37.26cm＝0.3726m。答案：(1)保持不变(2)减少实验误差(3)>(4)0.3726(0.3724～0.3728之间均可)热点二创新型实验角度1不变目的变装置(气垫导轨＋光电门)【典例2】某同学用如图1所示的装置“验证动量守恒定律”，实验开始前在水平放置的气垫导轨左端装一个弹射装置，滑块碰到弹射装置时将被锁定，打开控制开关，滑块可被弹射装置向右弹出。滑块甲和滑块乙上装有相同宽度的挡光片，在滑块甲的右端和滑块乙的左端装上了弹性碰架(图中未画出)，可保证在滑块碰撞过程中能量损失极小。开始时，滑块甲被弹射装置锁定，滑块乙静置于两个光电门之间。(1)该同学用游标卡尺测量挡光片的宽度d如图2所示，则d＝__________cm。(2)为使碰撞后两个滑块能够先后通过光电门2，则选用下列哪组滑块能使实验效果更好__________。A．m甲＝50g，m乙＝50gB．m甲＝100g，m乙＝50gC．m甲＝50g，m乙＝100g(3)某次实验时，该同学记录下滑块甲(质量为m甲)通过光电门1的时间为t1，滑块乙(质量为m2)通过光电门2的时间为t2，滑块甲通过光电门2的时间为t3，根据实验器材等测量条件确定误差范围。①只要等式__________成立，则可说明碰撞过程中动量守恒；②只要等式__________成立，则可说明这次碰撞为弹性碰撞。(注：以上2个等式必须用题目中所给的字母表示)【解析】(1)游标卡尺的主尺读数为21mm，游标读数为0.05×7mm＝0.35mm，则最终读数为21.35mm＝2.135cm；(2)为使碰撞后两个滑块能够先后通过光电门2，所以入射滑块不能反弹，所以应用质量较大的滑块去碰质量较小的滑块，故选B项；(3)滑块经过光电门的速度分别为：v1＝eq\f(d,t1)，v2＝eq\f(d,t2)，v3＝eq\f(d,t3)。①设甲的初速度方向为正方向，则由动量守恒定律有：m甲v1＝m甲v3＋m乙v2；代入速度公式则有：m甲eq\f(d,t1)＝m甲eq\f(d,t3)＋m乙eq\f(d,t2)，即eq\f(m甲,t1)＝eq\f(m甲,t3)＋eq\f(m乙,t2)；②要保证为弹性碰撞，碰撞前后机械能守恒，则有：eq\f(1,2)m甲eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t1)))eq\s\up12(2)＝eq\f(1,2)m甲eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t3)))eq\s\up12(2)＋eq\f(1,2)m乙eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,t2)))eq\s\up12(2)；即eq\f(m甲,teq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1)))＝eq\f(m甲,teq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(3)))＋eq\f(m乙,teq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(2)))成立，即说明为弹性碰撞。答案：(1)2.135(2)B(3)①eq\f(m甲,t1)＝eq\f(m甲,t3)＋eq\f(m乙,t2)②eq\f(m甲,teq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1)))＝eq\f(m甲,teq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(3)))＋eq\f(m乙,teq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(2)))创新解读本题的创新点体现在利用气垫导轨代替长木板，利用光电门代替打点计时器，提高实验的精确度。在数据处理与分析环节，利用相对误差评价实验结果。角度2不变目的变装置(斜面＋平抛)【典例3】(2021·郑州模拟)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，按下述步骤做了如下实验：①用天平测出两个小球的质量(分别为m1和m2，且m1>m2)。②如图所示，安装好实验装置。将斜槽AB固定在桌边，使槽的末端处的切线水平，将一斜面BC连接在斜槽末端。③先不放小球m2，让小球m1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m2放在斜槽末端边缘处，让小球m1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m1和m2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B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m1和m2发生碰撞后，m1的落点是图中的__________点，m2的落点是图中的__________点。(2)用测得的物理量来表示，只要满足关系式______________，则说明碰撞中动量守恒。(3)用测得的物理量来表示，只要再满足关系式______________，则说明两小球的碰撞是弹性碰撞。【解析】由题意可知，碰撞后m1的落点是图中的D点，m2的落点是图中的F点。设斜面BC的倾角为θ，小球从斜面顶端平抛落到斜面上，两者距离为L，由平抛运动的知识可知，Lcosθ＝vt，Lsinθ＝eq\f(1,2)gt2，可得v＝Lcosθeq\r(\f(g,2Lsinθ))＝cosθeq\r(\f(gL,2sinθ))，由于θ、g都是恒量，所以v∝eq\r(L)，v2∝L，所以动量守恒的表达式可以化简为m1eq\r(LE)＝m1eq\r(LD)＋m2eq\r(LF)，机械能守恒的表达式可以化简为m1LE＝m1LD＋m2LF。答案：(1)DF(2)m1eq\r(LE)＝m1eq\r(LD)＋m2eq\r(LF)(3)m1LE＝m1LD＋m2LF创新解读本实验利用斜面上的平抛运动获得两球碰后的速度，根据平抛斜面模型采用分解位移找数学关系分析实验数据。角度3变装置变目的(测量速度)【典例4】如图甲所示，冲击摆是一个用细线悬挂着的摆块，弹丸击中摆块时陷入摆块内，使摆块摆至某一高度，利用这种装置可以测出弹丸的发射速度。实验步骤如下：①用天平测出弹丸的质量m和摆块的质量M；②将实验装置水平放在桌子上，调节摆绳的长度，使弹丸恰好能射入摆块内，并使摆块摆动平稳，同时用刻度尺测出摆长；③让摆块静止在平衡位置，扳动弹簧枪的扳机，把弹丸射入摆块内，摆块和弹丸推动指针一起摆动，记下指针的最大偏角；④多次重复步骤③，记录指针最大偏角的平均值；⑤换不同挡位测量，并将结果填入下表。完成下列填空：挡位低速挡中速挡高速挡平均最大偏角θ(度)15.719.1弹丸质量m(kg)0.007650.007650.00765摆块质量M(kg)0.07890.07890.0789摆长l(m)0.2700.2700.270弹丸的速度v(m/s)5.036.777.15(1)现测得高速挡指针最大偏角如图乙所示，请将表中数据补充完整：θ＝__________°。(2)用上述测量的物理量表示发射弹丸的速度v＝__________。(已知重力加速度为g)(3)为减小实验误差，每次实验前，并不是将指针置于竖直方向的零刻度处，常常需要试射并记下各挡对应的最大指针偏角，每次正式射击前，应预置指针，使其偏角略小于该挡的最大偏角。请写出这样做的一个理由：_________________________________。【解析】(1)分度值为1°，故读数为22.6°(22.4°～22.8°均正确)。(2)弹丸射入摆块内，系统动量守恒，有mv＝(m＋M)v′，摆块向上摆动，由机械能守恒定律得eq\f(1,2