2025年高二物理同步培优讲练（人教版选择性必修第一册）1.4 实验：验证动量守恒定律 （原卷版）

1.4实验：验证动量守恒定律

01学习目标

物理素养学习目标

1.物理观念:通过实验用不同的方法探究碰童中的1.能依据已有知识合理设计实验方案。

动量守恒.2.能合理地选择实验器材，获得实验数据，分析实

2.科学思维:领会探究碰童动量守恒的基验数据，形成结论。

3.科学探究:能利用已有知识设计实验方案，完成对3.能撰写实验报告，用学过的物理术语、图表等交

动量守恒定律的验证。流本实验的探究过程与结论。

4.科学态度与价值观:通过实验得到一维碰童中的4.坚持实事求是，在合作中既能坚持观点又能修正

动量守恒定律的表达式，体会物理学中的科学探究精错误。

神。培养实事求是的科学态度。

重点关注：①动量守恒定律②碰撞过程是一维碰撞

02思维导图

03知识梳理

（一）课前研读课本，梳理基础知识

一、实验思路

1．动量守恒定律的适用条件：系统不受外力或者所受外力的矢量和为0。

2．实验原理：由于发生碰撞时作用时间很短，内力远大于外力，因此碰撞满足动量守恒定律的条件。在

一维碰撞的情况下，设两个物体的质量分别为m1、m2，碰撞前的速度分别为v1、v2，碰撞后的速度分别为

v1′、v2′，若系统所受合外力为零，则系统的动量守恒，则m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。

二、方案1：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒

1．实验装置：如图所示

实验器材：气垫导轨、数字计时器、天平、滑块(两个)、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮

泥、挡光片等。

2．物理量的测量

(1)质量的测量：用天平测量两滑块的质量m1、m2。

d

(2)速度的测量：v，式中的d为滑块上挡光片的宽度，Δt为数字计时器显示的滑块上的挡光片经

t

过光电门的时间。

3．本实验研究以下几种情况

(1)选取两个质量不同的滑块，在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性

碰撞架(图1.4-2),滑块碰撞后随即分开。

(2)在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥(图1.4-3)，碰撞时撞

针插入橡皮泥中，使两个滑块连成一体运动。如果在两个滑块的碰撞端

分别贴上尼龙拉扣，碰撞时它们也会连成一体。

(3)原来连在一起的两个物体，由于相互之间具有排斥的力而分开，

这也可视为一种碰撞。这种情况可以通过下面的方式实现。在两个滑块

间放置轻质弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，并用一根细线将两个滑块

固定。烧断细线，弹簧弹开后落下，两个滑块由静止向相反方向运动(图

1.4-4)。。

4．实验步骤：(以上述3中第(1)种情况为例)

(1)安装气垫导轨，接通电源，给导轨通气，调节导轨水平。

(2)在滑块上安装好挡光片、弹性碰撞架、光电门等，测出两滑块的

质量m1和m2。

(3)用手拨动滑块使其在两数字计时器之间相碰。滑块反弹越过数字计时器之后，抓住滑块避免反复碰

撞。读出两滑块经过两数字计时器前后的4个时间。

(4)改变碰撞速度，或采用运动滑块撞击静止滑块等方式，分别读出多组数据，记入表格。

5．数据分析

在确保挡光片宽度d一致的前提下，可将验证动量守恒定律m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′变为验证

mmmm

1212。

tt

12t1t2

6．注意事项

(1)气垫导轨要调整到水平。

(2)安装到滑块上的挡光片宽度适当小些，计算速度会更精确。

三、方案2：研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒

1．实验装置：实验装置如图示。将斜槽固定在铁架台上，使槽的末端水平。让一个质量较大的小球(入射

小球)从斜

槽上滚下，跟放在斜槽末端的另一个大小相同、质量较小的小球(被碰小球)发生正碰。

使入射小球从斜槽不同高度处滚下，测出两球的质量以及它们每次碰撞前后的速度,就可以验证动量守

恒定律。

实验器材：铁架台，斜槽轨道，两个大小相等、质量不同的小球，铅垂线，复写纸，白纸，天平，刻度

尺，圆规，三角板等。

2．物理量的测量

(1)质量的测量：用天平测量两小球的质量m1、m2。

(2)速度的测量：两球碰撞前后的速度，可以利用平抛运动的知识求出。

3．实验步骤：

(1)不放被碰小球，让质量为m1的入射小球从斜槽上某一位置由静止滚下，记录平抛的落点P及水平位

移OP。

(2)在斜槽水平末端放上质量为m2的被碰小球，让入射小球从斜槽同一位置由静止滚下，记下两小球离

开斜槽做平抛运动的落点M、N及水平位移OM、ON。

(3)为了减小误差，需要找到不放被碰小球及放被碰小球时小球落点的平均位置。为此，需要让入射小

球从同一高度多次滚下，进行多次实验，然后用圆规画尽量小的圆把小球所有的落点都圈在里面，其圆心

即为小球落点的平均位置。

4．数据分析

由OP＝v1t，OM＝v1′t，ON＝v2′t，

OPOMON

得v,v,v。

1t1t2t

可知，小球碰撞后的速度之比等于它们落地时飞行的水平距离之比，因此这个实验可以不测量速度的

具体数值，只需验证m1·OP＝m1·OM＋m2·ON是否成立就可以验证动量守恒定律是否成立。

5．注意事项

(1)斜槽末端的切线必须水平。

(2)入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放。

(3)入射球的质量m1大于被碰球的质量m2。

(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。

(5)不需要测量速度的具体数值，将速度的测量转化为水平距离的测量。

四、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。

(2)实验是否满足动量守恒的条件，如气垫导轨是否水平，用长木板实验时是否平衡掉摩擦力，两球是

否等大等。

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。

04题型精讲

【题型一】方案1：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒

【典型例题1】（2024高三下·甘肃·学业考试）某同学用如图甲所示的装置“验证动量守恒定律”，气垫导轨

上放置着带有遮光板的滑块P、Q。

(1)为了减小实验误差，使用气垫导轨的主要目的是__________。

A．保证两个滑块碰撞时是一维的

B．喷出的压缩空气减小滑块速度

C．使滑块与导轨不直接接触，减小噪声

D．减小滑块和导轨之间的摩擦力

(2)如图乙用螺旋测微器测量遮光板宽度d=mm。

(3)测得P、Q的质量分别为m1和m2，左、右遮光板的宽度分别为d1和d2。实验中，使两个滑块之间的

轻弹簧处于压缩状态，并用细线将两个滑块连接，然后烧断细线，轻弹簧将两个滑块弹开，测得它们通

过光电门的时间分别为t1、t2；用题中测得的物理量表示动量守恒应满足的关系式为（用t1、

t2、d1、d2、m1、m2表示）。

(4)若左、右遮光板的宽度相同，第（3）问中动量守恒应满足的关系式可简化为（用题中字

母表示）

【对点训练1】（23-24高二下·河北沧州·阶段练习）某实验小组设计了如图甲所示的实验装置测速度并验

证动量守恒定律。

(1)图中水平桌面上放置气垫导轨，导轨上有光电门1和光电门2，它们与数字计时器相连，弹性滑块A、

B质量分别为mA、mB，两遮光片沿运动方向的宽度均为d，利用游标卡尺测量遮光片的宽度，测量结果

如图乙所示，遮光片的宽度d=cm；

(2)实验先调节气垫导轨成水平状态，再轻推滑块A，测得A通过光电门1的遮光时间为t1=0.01s，A与

B相碰后，B和A先后经过光电门2的遮光时间分别为t2和t3，碰前A的速度大小为vA=m/s；

(3)实验中为确保碰撞后滑块A不反向运动，则mA、mB应满足的关系是mA（填“大于”“等于”

或“小于”）mB；

(4)在实验误差允许的范围内，若满足关系式（用字母mA、mB、t1、t2、t3表示），则可认为验

证了动量守恒定律。

【题型二】方案2：研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒

【典型例题1】（2024·青海玉树·模拟预测）在做“验证碰撞中的动量守恒定律”实验中，装置如图甲所示。

(1)需要的测量仪器或工具有________。

A．刻度尺B．天平（带砝码）C．秒表D．圆规

(2)必须要求的条件是________。

A．入射球和被碰球必须质量相等

B．斜槽轨道末端的切线必须水平

C．斜槽轨道应尽量光滑以减小误差

D．入射球每次必须从轨道的同一位置由静止下滑

(3)某次实验中得出的落点情况如图乙所示，假设碰撞过程中动量守恒，则入射小球质量m1和被碰小球质

量m2之比为。

【对点训练1】（23-24高二下·北京丰台·期中）用如图所示的装置验证“动量守恒定律”。实验时先让A球从

斜槽上某一固定位置由静止释放，P点为A球落点的平均位置；再把半径相同的B球放在水平轨道末

端，将A球仍从原位置由静止释放，M、N分别为A、B两球碰撞后落点的平均位置。O点是水平轨道

末端在记录纸上的竖直投影点，O、M、P、N位于同一水平面上。

(1)除了图中器材外，完成本实验还必须使用的器材有（选填选项前的字母）。

A．天平B．刻度尺C．秒表D．圆规

(2)实验中能够把速度的测量转化为位移的测量的必要操作是

A．安装轨道时，轨道末端必须水平B．每次必须从同一个高度静止释放小球

C．实验中两个小球的质量应满足m₁>m₂D．轨道应当尽量光滑

(3)某次实验中得出的落点情况如图2所示，若测量数据近似满足关系式（用m1、m2、OM、

OP、ON）则说明两小球碰撞过程中动量守恒。若忽略实验中的测量误差，带入上式可判断入射小球质

量m1和被碰小球质量m2之比为。

05强化训练

【基础强化】

1．（23-24高三下·河北沧州·阶段练习）用如图甲所示的实验装置来验证动量守恒定律。水平导轨上有两个

静止的小车A和B，小车A上方装有遮光片，前方固定撞针，小车B后方固定橡皮泥。轻推小车A，小

车A经过光电门1后，与静止的小车B碰撞，然后两小车一起再通过光电门2。光电门会分别记录下遮

光片的挡光时间。

(1)用游标卡尺测量遮光片的宽度d，结果如图乙所示，则遮光片的宽度dmm。

(2)若某次实验中，光电门1记录的遮光时间t10.015s，光电门2记录的遮光时间t20.032s，小车A（含

撞针、遮光片）的总质量为203g，小车B（含橡皮泥）的总质量为202g，则两小车碰撞前，小车A通

过光电门1的速度大小v1m/s，碰撞后两小车的总动量大小p2kgm/s。

（结果均保留两位有效数字）

(3)为了减小实验误差，两个光电门放置的位置应适当（选填“靠近”或“远离”）一些。

2．（23-24高二下·广东佛山·期中）某同学利用如图甲所示装置验证动量守恒定律，实验步骤如下：

(1)气垫导轨上安装了1、2两个光电门，滑块B上固定一竖直遮光条，用游标卡尺测得遮光条的宽度d，

接通气源后，将滑块B轻放在导轨上，给其一初速度，若通过光电门1的时间大于通过光电门2的时

间，则可通过调节气垫导轨的调节旋钮P使导轨左端的高度________（“升高”或“降低”），直到使轻推

后的滑块B通过光电门1的时间__________（填“大于”“小于”或“等于”）通过光电门2的时间，即说明

滑块B在气垫导轨上近似做___________运动。

(2)滑块A的右端、滑块B的左端均装有粘扣（如图乙所示），用天平测出滑块A（含粘扣）的总质量

m1和滑块B（含粘扣和遮光条）的总质量m2，将滑块A静置于两光电门之间，滑块B静置于光电门2

右侧，推一下滑块B，使其获得水平向左的速度，测得滑块B经过光电门2的挡光时间为t1，滑块B

和滑块A碰后粘在一起向左运动，经过光电门1记录的挡光时间为t2。用上述物理量验证该碰撞过程

动量守恒，则他要验证的关系式是_______________（用题给字母表示）。

(3)碰撞过程损失的机械能表达式为E=____________（用题给字母表示）。

3．（23-24高二下·河北·开学考试）某小组同学在实验室用气垫导轨验证动量守恒定律，实验装置如图（a）

所示。

(1)两遮光条沿运动方向的宽度均为d，用螺旋测微器测其宽度，如上图（b）所示读数为mm。

(2)实验室有两组滑块装置，甲组两个滑块的碰撞端面装上弹性碰撞架，乙组两个滑块的碰撞端面分别

装上撞针和橡皮泥，若要求碰撞过程动能损失最小，应选择（填“甲”或“乙”）组的实验装置。

(3)用天平测得滑块A、B的质量（均包括遮光条）分别为mA、mB，调整好气垫导轨水平后，将滑块A

向左弹出，与静止的滑块B发生碰撞，此过程可视为弹性碰撞，与光电门1相连的计时器显示的挡光

时间先后为t1和t2，与光电门2相连的计时器显示的时间为t3，从实验结果可知两滑块的质量满足mA

mB（填“>”“<”或“=”）；滑块A、B碰撞过程中满足表达式______________（用所测物理量的符号t1、t2、

t3、mA、mB表示），则说明碰撞过程中动量守恒。

(4)若碰撞为弹性碰撞，则还应该满足的等式为________________（只用所测物理量的符号t1、t2和t3表

示）。

4．（23-24高一下·重庆·期中）如图所示，某同学用“碰撞实验器”验证动量守恒定律。

(1)实验中，下列物理量需要测量的为_______________（填选项前的符号）。

A．小球开始释放的高度h

B．小球抛出点距地面的高度H

C．小球做平抛运动的射程OM、OP、ON

(2)入射球A的质量为m1，被碰球B的质量为m2，为完成实验需要m1_____m2（选填“＞”、“＜”“＝”）。

(3)若要两球相碰前后的动量守恒，则应验证的表达式可表示为_______________（用m1、m2、OM、OP、

ON表示）。

(4)该同学处理实验数据时发现，A、B间碰撞不是弹性碰撞，以下哪些表达式能支持该同学的结论

_________。

A．OMOPON

B．OMOPON

m

C．2OM12ON

m1

m

D．2OM12ON

m1

5．（2024·北京海淀·二模）用如图1所示装置研究两个半径相同的小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关

系。图2中O点是小球抛出点在地面上的竖直投影。实验时先让a球多次从斜槽上某一固定位置C由

静止释放，其平均落地点的位置为P。再把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，重复操作多次，其平均落地点的位置为M、N。

测量出a、b两个小球的质量分别为m1、m2m1m2，OM、OP、ON的长度分别为x1、x2、x3。

(1)实验中，不容易直接测定小球碰撞前后的速度。但是，可以通过仅测量___________（填选项前的符

号），间接地解决这个问题。

A．小球开始释放高度h

B．小球抛出点距地面的高度H

C．小球做平抛运动的水平位移

(2)关于本实验的条件和操作要求，下列说法正确的是___________。

A．斜槽轨道必须光滑B．斜槽轨道末端必须水平

C．b球每次的落点一定是重合的D．实验过程中，复写纸和白纸都可以移动

(3)在实验误差允许范围内，若满足关系式_____________，则可以认为两球碰撞前后的总动量守恒，若

还满足关系式__________，则可认为两球碰撞为弹性碰撞（用所测物理量的字母表示）。

(4)换用不同材质的小球再次进行上述实验，分析说明N点有没有可能在P点的左侧。

6．（23-24高二下·河南信阳·期中）某同学用如图所示的实验装置来验证动量守恒定律。小球1的质量为m1，

它从斜槽上某点滚下，离开斜槽末端时的速度记为v1（称为第一次操作）；小球2的量为m2，小球1

第二次从斜槽上原位置滚下，跟小球2碰撞后离开斜槽末端的速度分别记为v1和v2（称为第二次操作）。

(1)该实验需要验证的关系式为：_______________；

(2)如果第二次操作时，小球1从斜槽上开始滚下时位置比原先低一些，实验将会得到的结果是

___________________；

(3)如果在第二次操作时，发现在第一次操作中，槽的末端是不水平的，有些向上倾斜，于是把它调水

平，调整后的斜槽末端离地面高度跟原来相同。然后让小球在斜槽上原标记位置滚下进行第二次操作，

分析时仍然和第一次操作的数据进行比较，其他实验操作都正确，且调节斜槽引起小球在空中运动时

间的变化可忽略不计。实验将会得到的结果是____________________。

【素养提升】

7．（2024高三·河北·学业考试）学习小组利用如图（a）所示的实验装置，验证发生完全非弹性碰撞时动量

守恒。气垫导轨上安装有两个光电门1、2，滑块1上固定着竖直遮光条，滑块2的右侧有橡皮泥。实

验主要步骤如下：

（1）接通气源，将滑块1放置在导轨上，轻推一下使其先后通过光电门1、2，若滑块经过光电门1的

时间比经过2的长，应调整水平螺丝，把支点P调_____________（填“高”或“低”）些，直到滑块1通

过两个光电门的时间相同。

（2）用天平测出滑块1（包含遮光条）的质量为m1、滑块2（包含橡皮泥）的质量为m2，本实验

______________（填“需要”或“不需要”）测出遮光条的宽度d。

（3）将滑块2放置在光电门1，2间合适位置并保持静止，将滑块1放置在光电门1的右侧，轻推滑

块1，使其与滑块2发生碰撞后粘在一起，光电门1记录的遮光时间为t1，光电门2记录的遮光时间为

t2。

（4）改变滑块1的初速度，多次测量，获得多组t1、t2数据。

（5）在坐标纸上建立直角坐标系，描点后拟合出的图线为过原点的直线，如图（b）所示，测量出图

线的斜率k，若满足k____________（用所测物理量的字母表示），可验证完全非弹性碰撞时动量守

恒。

8．（23-24高二下·河南郑州·期中）某同学用如图甲所示装置进行验证动量守恒定律实验，实验步骤如下：

①将斜槽轨道放置在水平桌面上，使斜槽轨道末端与桌面右边缘对齐，通过调节使斜槽轨道末端水平；

②将小球a从斜槽轨道最高点由静止释放，小球a离开斜槽末端后用手机在上方拍摄，得到小球a在

空中运动的录像（俯视）：

③将小球b放置在斜槽轨道末端，让小球a从_____________由静止释放，用手机在上方拍摄两小球在

空中运动的录像。

（1）小球b的半径__________（填“需要”或“不需要”）与小球a的半径相同；

（2）从拍摄到的录像中每隔0.1s取一幅图片，将图片叠加到一起后，用厘米刻度尺测量图片上小球间

的距离，得到小球在水平方向上的位置变化图，如图乙所示，1为碰前小球a的、2为碰后小球a的、

3为碰后小球b的，已知小球a的质量为0.20kg，小球b的质量为0.10kg，图片与实际的比例为1：10，

则碰前瞬间系统的总动量为____________kg·m/s，碰后瞬间系统的总动量为____________kg·m/s。

（3）若碰撞前、后瞬间系统动量之差占碰前瞬间系统总动量的比例小于3%时，可认为系统动量守恒，

则本次实验___________（填“能”或“不能”）验证动量守恒定律。

9．（23-24高二下·浙江·期中）(1)在“探究碰撞中的不变量”的实验中，三位同学分别采用以下三种不同的方

案，如图1。小红用甲图对应的方案，该方案中________________（填“需要”或“不需要”）测量小球抛

出点到水平面的高度：小黄采用乙图对应的方案，该方案中入射小球的质量_________________（填“需

要”或“不需要”）大于被碰小球的质量：小蓝用丙图对应的方案，该方案中若两滑块上的遮光条宽度相

等，则___________（填“需要”或“不需要”）测量遮光条宽度d。

(2)在“验证动量守恒定律”的实验中，先让质量为m1的钢球A从斜槽轨道上某一固定位置S由静止开始

滚下，从轨道末端水平抛出，落到位于水平地面的复写纸上，在复写纸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的空心钢球B放在斜槽轨道末端，让A球仍从位

置S由静止滚下，与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点是轨道末端在白纸上的竖直投影点，如图1所示。

为了尽量减小实验误差，两个小球的质量应满足m1m2，若满足关系式________________则可以认为

两小球碰撞前后总动量守恒；

②某同学记录小球三个落点的平均位置时发现M和N偏离了OP方向，如图2所示。下列相关说法正

确的是______________。

A．造成M和N偏离了OP方向的原因是两小球碰撞后速度过大

B．测出OP、OM、ON之间的距离，可探究两球在碰撞过程中是否有机械能的损失

C．两球在碰撞过程中动量不守恒

10．（2024·北京海淀·二模）用如图甲所示装置可研究斜槽末端两小球碰撞时的动量守恒。

(1)下列相关说法正确的有（）

A．安装轨道时，必须选择光滑的斜槽

B．铅垂线的作用是确定小球抛出点在水平地面上的垂直投影位置

C．实验中必须测量小球下落的高度

D．同一组实验中入射小球必须从同一高度释放

(2)实验中需选择合适的两小球发生碰撞，现提供如图乙所示的三个小球，则入射小球应选

择，被撞小球应选择_____________（填图乙中的序号）。

(3)如图丙，白纸上记录了的多次重复实验的数据，其中O点是小球抛出点在水平地面上的垂直投影，

则B处对应小球的落地点与O点的距离为__________________cm；若入射小球的质量为m1，被撞小

球的质量为m2，A、B、C三处落点与O点的距离记作OA、OB、OC，则实验需要验证的等式为___________。

11．（2024·河北保定·二模）2023年9月21日下午，在中国“天宫”空间站内“神舟十六号”航天员乘组进行

了第四次太空授课，课堂上两位航天员带来动量守恒的演示实验。如图所示，两位航天员在等间距的

网格布前用大、小钢球完成了多次碰撞。某同学将其中一次碰撞的视频下载后进行逐帧分析，在此次

实验中航天员将小钢球向右推向静止的大钢球，在碰撞前的连续3帧画面里小钢球在背景中刚好向右

移动了1格，在碰撞后的连续13帧画面里小钢球向左移动了4格、大钢球向右移动了2格。设小钢球

的质量为m，大钢球的质量为M，根据以上数据回答下列问题：

(1)小钢球与大钢球的质量之比m:M．

(2)本次碰撞为__________________（填“弹性碰撞”或“非弹性碰撞”）。

(3)影响实验结果准确性的原因：___________________。（写出一条即可）

【能力培