第29讲 实验：验证动量守恒定律（复习讲义）（湖南专用）（学生版）

第29讲实验：验证动量守恒定律目录TOC\o"1-3"\h\u01考情解码·命题预警 1体系构建·思维可视 203核心突破·靶向攻坚 2考点一教材原型实验 2知识点1实验原理 3知识点2：研实验方案及过程 3考点二：创新拓展实验 3考向1创新拓展实验 904真题溯源·考向感知 13考点要求考察形式2025年2024年2023年实验：验证动量守恒定律选择题非选择题2025·广东·高考物理试题2024·北京·高考物理试题2024·全国·高考物理试题2023·辽宁·高考物理试题考情分析：1．在湖南高考物理中，验证动量守恒定律实验是考查重点之一，主要围绕实验原理、数据处理与误差分析等方面命题，难度中等，且存在一定的创新考查趋势。2．从命题思路上看，试题情景为未来可能会依托创新实验进行考查，如改变实验装置或测量方法，要求考生运用所学知识分析新情境下的实验原理、数据处理及误差分析等，对考生的知识迁移能力和创新思维要求会逐渐提高复习目标：目标1.理解动量守恒定律成立的条件，会利用不同方案验证动量守恒定律。目标2.知道在不同实验方案中要测量的物理量，会进行数据处理及误差分析。考点一实验：验证动量守恒定律知识点1实验原理在一维碰撞中，测出相碰的两物体的质量m1、m2和碰撞前、后物体的速度v1、v2、v1'、v2'，算出碰撞前的动量p＝及碰撞后的动量p'＝，比较碰撞前、后动量是否相等。知识点2、实验方案及实验过程实验方案原理装置实验步骤方案一利用气垫导轨完成碰撞实验v＝eq\f(d,Δt)，d为滑块上挡光片的宽度，Δt为遮光时间验证：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′1.测质量：用天平分别测出两滑块的质量。2.安装：正确安装好气垫导轨。3.测速：计算出两滑块碰撞前、后的速度方案二利用两辆小车在光滑长木板上的运动完成碰撞实验v＝eq\f(Δx,Δt)，Δx为纸带上两计数点的距离，Δt为对应的时间验证：m1v1＝(m1＋m2)v21.测质量：用天平分别测出两小车的质量。2.安装：将打点计时器固定在光滑长木板的一端，把纸带穿过打点计时器，连在小车A的后面，在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥。3.实验：接通电源，让小车A运动，小车B静止，两车碰撞时撞针插入橡皮泥中，两车连接成整体，随后两车一起运动。4.测速：通过纸带上合适的两计数点间的距离及打下两计数点的时间间隔，由v＝eq\f(Δx,Δt)算出碰撞前A车与碰撞后两车共同的速度方案三利用斜槽末端小球的碰撞验证动量守恒定律1.测小球的水平射程，连接ON，测量线段OP、OM、ON长度2.验证：m1·OP＝m1·OM＋m2·ON1.测质量：用天平分别测出两等大小球的质量，且保证m1＞m2。2.安装：调整固定斜槽使斜槽末端水平。3.铺纸：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O。4.找平均位置点：每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，小球滚下10次，用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面，找出圆心；再将被碰小球放在图示位置处使其被入射小球碰撞后落下(入射小球的起始位置始终不变)，经过10次碰撞后，用同样的方法分别找出入射小球和被碰小球落点所在最小圆的圆心。5.测距离：用刻度尺分别量出O到所找出的三个圆心的距离考向1教材原型实验例1（2025·湖南·一模）小车，带滑轮的木板，打点计时器等为高中物理常见的实验器材。(1)利用如图甲所示的实验装置可以进行的物理实验是，其中必须在实验前取下细线和槽码，调整木板的倾斜程度，使小车在木板上做匀速直线运动的物理实验是。（填选项前的字母）A．探究小车速度随时间变化的规律B．探究加速度与物体受力、质量的关系C．验证小车的机械能守恒(2)利用如图乙的实验装置验证动量守恒定律。①在小车A前端贴上橡皮泥，接通打点计时器电源后，轻推小车A，小车A以某速度做匀速直线运动，并与置于木板上静止的小车B相碰后粘在一起，继续做匀速直线运动，得到的纸带如图丙所示。若要计算两车碰撞后的速度大小应选段（填“AB”“BC”“CD”或“DE”）。②设、别为两车碰撞前、后的总动量，要求验证两车动量守恒所允许的最大相对误差不能超过1%。若小车A的质量为小车B的2倍，测得、、、，则%（结果保留两位小数），A、B两车组成的系统在误差允许的范围内动量（填“守恒”或“不守恒”）。【变式训练1·】（2025·天津河西·一模）如图为验证动量守恒定律的实验装置图。实验时，将斜槽固定在铁架台上，使槽末端水平。先让质量为的入射球多次从倾斜轨道上由静止释放，记录其在水平桌面上的平均落点位置。然后把质量为的被碰小球静置于槽的末端，再将入射球从倾斜轨道上由静止释放，与相碰，并多次重复，记录两小球在桌面上的平均落点位置。用刻度尺测量O点到三个平均落点位置M、P、N的距离，分别记为、、。(1)关于该实验，下列说法中哪些是正确的？___________（填正确答案标号）A．入射球和被碰球的质量必须满足B．入射球每次可从斜槽上任意位置释放C．实验中还必须测量出斜槽末端到水平地面的高度D．将小球静置于斜槽末端，若小球能保持静止，则说明斜槽末端水平(2)在测量的过程中，直尺的O刻度与白纸上O点对齐，测量时如图所示，则cm。(3)在误差允许范围内，表达式成立，则两个小球的碰撞满足动量守恒定律。（用、、、和表示）。【变式训练2】（2025·浙江·二模）某同学设计了一个如图甲所示用打点计时器来验证动量守恒定律的实验：让前端贴有橡皮泥的小车A，后端连一打点计时器纸带，以某速度做匀速直线运动，与置于木板上静止的小车B相碰并粘在一起，继续做匀速直线运动。打点计时器电源频率为50Hz，接通打点计时器电源后，让小车A得到的纸带如图乙所示。小车A的质量为0.4kg，小车B的质量为0.2kg。(1)若要计算小车A碰撞前的速度大小应该选择A．AB段 B．BC段 C．CD段 D．DE段(2)用你在（1）中的选择，对应的小车碰撞前的总动量大小kg·m/s（保留三位有效数字）(3)在（1）中你的选择理由是考向2创新拓展实验例28．（2025·湖南·三模）学习小组利用如图1所示的装置，测量滑块1、2的质量、（含遮光板）。实验器材：气垫导轨、滑块1、2（含宽度相同的遮光板）、配重块（质量已知）、弹簧、细线、光电门、计时器等。实验步骤：①打开光电门及计时装置，接通气源，调节气垫导轨水平；②在滑块1上固定数量不等的配重块，在两个滑块中间压缩轻质弹簧，再用细线把两个滑块连接；③开始时让两滑块在两光电门中间处于静止状态，然后烧断细线，滑块1、2分别向左右弹开，经过光电门时，记录遮光板的挡光时间分别为、及配重片的总质量；④改变滑块1上配重片的质量，多次重复实验，记录多组、及值。数据处理：在坐标纸上以为纵轴，以配重片总质量为横轴，画出图如图2所示，为一条倾斜的直线，测出纵截距为，斜率为。请回答下列问题：(1)若每次滑块弹开过程系统动量守恒，根据图像可求出滑块1质量，滑块2质量。（均用、表示）(2)每次实验，弹簧的压缩量。（选填“可以不同”或“必须相同”）(3)若某次实验在烧断细线前，两滑块没有处于静止状态，而是有向左的微小速度，则此次测量的数据点处在理论直线的侧。（选填“上”或“下”）【变式训练1】（2025·山西晋中·二模）实验小组要验证两滑块在碰撞过程中的动量守恒。方案设计如图1所示，固定在水平面上的长木板左侧带有挡板，挡板固定一个轻质弹簧，在长木板上弹簧原长O处依次并排放置质量分别为、底面粗糙程度相同的铁块A、B（此时弹簧无压缩）。操作过程如下：①保持B不动手，拿铁块A将弹簧压缩，至某位置P由静止释放；②弹簧恢复原长时铁块A与B发生碰撞，碰后两铁块分别向右运动一段距离停下，如图2所示，测得A、B静止时与O点的距离分别为、；③拿走铁块B，重复步骤①，测得铁块A停下时到O点的距离为，如图3所示，又测得A、B沿运动方向的宽度分别为、。(1)为保证实现上述实验目标，应使（填“>”“=”或“<”），若等式（用、及以上步骤中测得的物理量表示）成立，则说明碰撞过程A、B组成系统动量守恒。(2)若两铁块与木板间的动摩擦因数为，重力加速度为g，忽略偶然因素造成的误差，则可求得碰撞过程系统损失的机械能为。【变式训练2·】（2025·河北保定·一模）某实验小组采用如图所示的装置验证动量守恒定律，小球a、b均为质量均匀分布的弹性小球，小球a自由悬垂状态时恰好与支架上的小球b接触，已知两小球的质量关系为，两小球的球心位于同一水平线上。(1)除了图中画出的器材之外，实验还需要的器材有__________（填正确答案标号）。A．天平和砝码 B．刻度尺C．秒表 D．弹簧测力计(2)除了图中标识的小球a由静止释放时细悬线与竖直方向的角度、小球b在支架上静止时小球到地面的距离h、碰撞后小球b的水平位移x之外，实验中还需要测量的物理量有__________（填正确答案标号）。A．小球a、b的质量B．释放时小球a的球心到悬点的距离LC．小球a从释放到与小球b碰撞前运动的时间D．碰撞后细悬线偏离竖直方向的最大角度E．从碰撞到落地过程小球b运动的时间(3)在误差允许的范围内，如果验证的关系式（用图中标出的物理量及（2）中提到的物理量的字母表示）成立，则说明小球a、b对心碰撞过程中满足动量守恒定律。（2025·广东·高考真题）请完成下列实验操作和计算。(1)在“长度的测量及其测量工具的选用”实验中，用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图所示，读数mm。(2)实验小组利用小车碰撞实验测量吸能材料的性能，装置如图所示，图中轨道由轨道甲和乙平滑拼接而成，且轨道乙倾角较大。①选取相同的两辆小车，分别安装宽度为1.00cm的遮光条。②轨道调节。调节螺母使轨道甲、乙连接处适当升高。将小车在轨道乙上释放，若测得小车通过光电门A和B的。证明已平衡小车在轨道甲上所受摩擦力及其他阻力。③碰撞测试先将小车1静置于光电门A和B中间，再将小车2在M点由静止释放，测得小车2通过光电门A的时间为t2，碰撞后小车1通过光电门B的时间为t1。若t2t1，可将两小车的碰撞视为弹性碰撞。④吸能材料性能测试。将吸能材料紧贴于小车2的前端。重复步骤③。测得小车2通过光电门A的时间为10.00ms，两车碰撞后，依次测得小车1和2通过光电门B的时间分别为15.00ms、30.00ms，不计吸能材料的质量，计算可得碰撞后两小车总动能与碰撞前小车2动能的比值为（结果保留2位有效数字）。2．（2024·福建·高考真题）某小组基于动量守恒定律测量玩具枪子弹离开枪口的速度大小，实验装置如图（a）所示。所用器材有：玩具枪、玩具子弹、装有挡光片的小车、轨道、光电门、光电计时器、十分度游标卡尺、电子秤等。实验步骤如下：（1）用电子秤分别测量小车的质量M和子弹的质量m；（2）用游标卡尺测量挡光片宽度d，示数如图（b）所示，宽度d=cm；（3）平衡小车沿轨道滑行过程中的阻力。在轨道上安装光电门A和B，让装有挡光片的小车以一定初速度由右向左运动，若测得挡光片经过A、B的挡光时间分别为13.56ms、17.90ms，则应适当调高轨道的（填“左”或“右”）端。经过多次调整，直至挡光时间相等；（4）让小车处于A的右侧，枪口靠近小车，发射子弹，使子弹沿轨道方向射出并粘在小车上，小车向左运动经过光电门A，测得挡光片经过A的挡光时间；（5）根据上述测量数据，利用公式v=（用d、m、M、表示）即可得到子弹离开枪口的速度大小v；（6）重复步骤（4）五次，并计算出每次的v值，填入下表；次数12345速度v（）59.160.960.358.759.5（7）根据表中数据，可得子弹速度大小v的平均值为m/s。（结果保留3位有效数字）3．（2024·北京·高考真题）如图甲所示，让两个小球在斜槽末端碰撞来验证动量守恒定律。(1)关于本实验，下列做法正确的是_____（填选项前的字母）。A．实验前，调节装置，使斜槽末端水平B．选用两个半径不同的小球进行实验C．用质量大的小球碰撞质量小的小球(2)图甲中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影，首先，将质量为m1的小球从斜槽上的S位置由静止释放，小球落到复写纸上，重复多次。然后，把质量为m2的被碰小球置于斜槽末端，再将质量为m1的小球从S位置由静止释放，两球相碰，重复多次。分别确定平均落点，记为M、N和P（P为m1单独滑落时的平均落点）。a．图乙为实验的落点记录，简要说明如何确定平均落点；b．分别测出O点到平均落点的距离，记为OP、OM和ON。在误差允许范围内，若关系式成立，即可验证碰撞前后动量守恒。(3)受上述实验的启发，某同学设计了另一种验证动量守恒定律的实验方案。如图丙所示，用两根不可伸长的等长轻绳将两个半径相同、质量不等的匀质小球悬挂于等高的O点和O′点，两点间距等于小球的直径。将质量较小的小球1向左拉起至A点由静止释放，在最低点B与静止于C点的小球2发生正碰。碰后小球1向左反弹至最高点A′，小球2向右摆动至最高点D。测得小球1，2的质量分别为m和M，弦长AB=l1、A′B=l2、CD=l3。推导说明，m、M、l1、l2、l3满足关系即可验证碰撞前后动量守恒。4．（2024·新疆河南·高考真题）某同学用如图所示的装置验证动量守恒定律。将斜槽轨道固定在水平桌面上，轨道末段水平，右侧端点在水平木板上的垂直投影为O，木板上叠放着白纸和复写纸。实验时先将小球a从斜槽轨道上Q处由静止释放，a从轨道右端水平飞出后落在木板上；重复多次，测出落点的平均位置P与O点的距离，将与a半径相等的小球b置于轨道右侧端点，再将小球a从Q处由静止释放，两球碰撞后均落在木板上；重复多次，分别测出a、b两球落点的平均位置M、N与O点的距离、。完成下列填空：(1)记a、b两球的质量分别为、，实验中须满足条件（填“>”或“<”）；(2)如果测得的、、、和在实验误差范围内满足关系式，则验证了两小球在碰撞中满足动量守恒定律。实验中，用小球落点与O点的距离来代替小球水平飞出时的速度，依据是。5.（2024·山东·高考真题）在第四次“天宫课堂”中，航天员演示了动量守恒实验。受此启发，某同学使用如图甲所示的装置进行了碰撞实验，气垫导轨两端分别安装a、b两个位移传感器，a测量滑块A与它的距离xA，b测量滑块B与它的距离xB。部分实验步骤如下：①测量两个滑块的质量，分别为200.0g和400.0g；②接通气源，调整气