《实验：验证动量守恒定律》课件

第一章动量守恒定律4实验：验证动量守恒定律学习目标学法指导1．掌握动量守恒定律的适用范围2．会用实验验证动量守恒定律1．明确实验的目的和原理，清楚实验条件，按实验原理完成实验操作2．正确记录并处理实验数据得出实验结论知识导图课前·自主预习一、实验目的(1)明确探究碰撞中的不变量的基本思路．(2)探究一维碰撞中的不变量．二、实验原理1．理想化的碰撞——一维碰撞两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这条直线运动．2．追寻不变量在一维碰撞的情况下，与物体运动有关的物理量只有物体的质量和物体的速度，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′.如果速度与规定的正方向一致，则速度取正值，否则取负值．依据猜想与假设，通过实验探究寻找碰撞前后的不变量，可能是下列的哪些关系？(1)可能是质量与速度的乘积，即m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′.(2)可能是质量与速度的二次方的乘积，即探究以上各关系式是否成立，关键是准确测量碰撞前后的速度v1、v2、v1′、v2′.因此，利用气垫导轨和与之配套的光电计时装置，可保证两物体碰撞是一维碰撞，并可比较准确地测量出碰撞前后的速度．3．实验方案设计方案1：用气垫导轨完成两个滑块的一维碰撞．实验装置如图所示：(1)质量的测量：用天平测量质量．(3)利用在滑块上增加重物的方法改变碰撞物体的质量．(4)碰撞实验方法：①用细线将弹簧压缩，放置于两个滑块之间，并使它们静止，然后烧断细线，弹簧弹开，两个滑块随即向相反方向运动(图甲)．②在两滑块相碰的端面上装上弹性碰撞架(图乙)，可以得到能量损失很小的碰撞．③在两个滑块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，将两个滑块连成一体运动(图丙)，这样可以得到能量损失很大的碰撞．方案2：利用等长悬线悬挂大小相同的小球实现一维碰撞．实验装置如图所示：(1)质量的测量：用天平测量质量．(2)速度的测量：可以测量小球被拉起的角度，根据机械能守恒定律算出小球碰撞前对应的速度；测量碰撞后两小球分别摆起的对应角度，根据机械能守恒定律算出碰撞后对应的两小球的速度．(3)不同碰撞情况的实现：用贴胶布的方法增大两小球碰撞时的能量损失．三、实验器材方案1：气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、弹簧、细线、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等．方案2：带细线的摆球(两个)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等．四、实验步骤不论采用哪种方案，实验过程均可按实验方案合理安排，参考步骤如下：(1)用天平测量相关碰撞物体的质量m1、m2.(2)安装实验装置．(3)使物体发生一维碰撞．(4)测量或读出碰撞前后相关的物理量，计算对应的速度．(5)改变碰撞条件，重复步骤(3)、(4)．(6)进行数据处理，通过分析比较，找出碰撞中的“不变量”．(7)整理器材，结束实验．五、数据处理将实验中测得的物理量填入下表，填表时需注意物体碰撞后运动的速度与原来的速度方向相反的情况.比较碰撞前碰撞后质量m/kgm1m2m1m2速度v/(m·s－1)v1v2v1′v2′mv/(kg·m·s－1)m1v1＋m2v2m1v1′＋m2v2′六、误差分析1．系统误差：主要来源于装置本身是否符合要求，即：(1)碰撞是否为一维碰撞．(2)实验中是否合理设置实验条件，如气垫导轨是否水平，两球是否等大．2．偶然误差：主要来源于对质量m和速度v的测量．七、注意事项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实验，调整气垫导轨时，注意利用水平仪确保导轨水平．(2)若利用摆球进行实验，两小球静止时球心应在同一水平线上，且刚好接触，摆线竖直，将小球拉起后，两条摆线应在同一竖直平面内．3．探究结论：寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变．课堂·重难探究例1某同学利用气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的实验，气垫导轨装置如图所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成．实验原理与操作(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向气垫导轨通入压缩空气；③接通光电计时器；④把滑块2静止放在气垫导轨的中间；⑤滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；⑥释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧有固定弹簧的滑块2碰撞，碰后滑块1和滑块2依次通过光电门2，两滑块通过光电门后依次被制动；⑦读出滑块通过两个光电门的挡光时间：滑块1通过光电门1的挡光时间Δt1＝10.01ms，滑块1通过光电门2的挡光时间Δt2＝49.99ms，滑块2通过光电门2的挡光时间Δt3＝8.35ms；⑧测出挡光片的宽度d＝5mm，测得滑块1(包括撞针)的质量m1＝300g，滑块2(包括弹簧)质量m2＝200g.(2)数据处理与实验结论：①实验中气垫导轨的作用是：a．__________________________________；b．__________________________________.②碰撞前滑块1的速度v1为________m/s；碰撞后滑块1的速度v2为________m/s；滑块2的速度v3为________m/s.(结果保留两位有效数字)③在误差允许的范围内，通过本实验，同学们可以探究出哪些物理量是不变的？通过对实验数据的分析说明理由．(至少回答2个不变量)a．___________________________________；b．____________________________.【答案】(2)①a.大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差b．保证两个滑块的碰撞是一维的②0.50

0.10

0.60③a.系统碰撞前、后质量与速度的乘积之和不变b．碰撞前后总动能不变【解析】(2)①a.大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差．b．保证两个滑块的碰撞是一维的．②滑块1碰撞前的速度滑块2碰撞后的速度③a.系统碰撞前后质量与速度的乘积之和不变．原因：系统碰撞前的质量与速度的乘积m1v1＝0.15kg·m/s，系统碰撞后的质量与速度的乘积之和m1v2＋m2v3＝0.15kg·m/s.b．碰撞前后总动能不变．变式1某实验小组采用如图所示的实验装置做“验证动量守恒定律”的实验．在水平桌面上放置气垫导轨，导轨上安装光电计时器1和光电计时器2，带有遮光片的滑块A、B的质量分别为mA、mB，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，测得滑块A通过光电计时器1的遮光时间为t1；③滑块A与滑块B相碰后，滑块B和滑块A先后经过光电计时器2的遮光时间分别为t2和t3.(1)实验中为确保两滑块碰撞后的滑块A不反向运动，则mA、mB应满足的关系为mA________(填“大于”“等于”或“小于”)mB.(2)碰前滑块A的速度大小为________．(3)利用题中所给物理量的符号表示动量守恒定律成立的式子为________________．【解析】

(1)滑块A和滑块B发生碰撞，用质量大的滑块A碰质量小的滑块B，则不会发生反弹，所以mA>mB.例2某同学设计了一个用打点计时器“探究碰撞中的不变量”的实验，在小车A的前端粘有橡皮泥，设法使小车A做匀速直线运动，然后与原来静止的小车B相碰并黏在一起继续做匀速运动，如图所示．在小车A的后面连着纸带，电磁打点计时器的频率为50Hz.实验数据处理(1)若已得到打点纸带如图所示，并测得各计数点间的距离．则应选图中________段来计算A碰前的速度，应选________段来计算A和B碰后的速度．(2)已测得小车A的质量mA＝0.40kg，小车B的质量mB＝0.20kg，则由以上结果可得碰前mAvA＋mBvB＝________kg·m/s，碰后mAvA′＋mBvB′＝________kg·m/s.(3)从实验数据的处理结果来看，A、B碰撞的过程中，可能哪个物理量是不变的？【答案】(1)BC

DE

(2)0.420

0.417

(3)mv【解析】(1)因为小车A与B碰撞前、后都做匀速运动，且碰后A与B黏在一起，其共同速度比A原来的速度小．所以，应选点迹分布均匀且点距较大的BC段计算A碰前的速度，选点迹分布均匀且点距较小的DE段计算A和B碰后的速度．故碰撞前：mAvA＋mBvB＝0.40×1.05kg·m/s＋0.20×0kg·m/s＝0.420kg·m/s碰撞后：mAvA′＋mBvB′＝(mA＋mB)vA′＝(0.40＋0.20)×0.695kg·m/s＝0.417kg·m/s.(3)数据处理表明，mAvA＋mBvB≈mAvA′＋mBvB′，即在实验误差允许的范围内，A、B碰撞前后总动量mv是不变的．变式2某同学利用如图所示的装置进行“验证动量守恒定律”的实验，操作步骤如下：①在水平桌面上的适当位置固定好弹簧发射器，使其出口处切线与水平桌面相平；②在一块长平木板表面先后钉上白纸和复写纸，将该木板竖直并贴紧桌面右侧边缘．将小球a向左压缩弹簧并使其由静止释放，a球碰到木板，在白纸上留下压痕P；③将木板向右水平平移适当距离，再将小球a向左压缩弹簧到某一固定位置并由静止释放，撞到木板上，在白纸上留下压痕P2；④将半径相同的小球b放在桌面的右边缘，仍让小球a从步骤③中的释放点由静止释放，与b球相碰后，两球均撞在木板上，在白纸上留下压痕P1、P3.(1)下列说法正确的是________．A．小球a的质量一定要大于小球b的质量B．弹簧发射器的内接触面及桌面一定要光滑C．步骤②③中入射小球a的释放点位置一定相同D．把小球轻放在桌面右边缘，通过观察小球是否滚动来检测桌面右边缘末端是否水平(2)本实验必须测量的物理量有________．A．小球的半径rB．小球a、b的质量m1、m2C．弹簧的压缩量x1，木板距离桌子边缘的距离x2D．小球在木板上的压痕P1、P2、P3分别与P之间的竖直距离h1、h2、h3(3)用(2)中所测的物理量来验证两球碰撞过程中动量是否守