【課件】 實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律 課件-2022-2023學(xué)年高二上學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第一冊(cè)

1.4實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律人教版（2019）物理選擇性必修第一冊(cè)第一章

動(dòng)量守恒定律新課引入前面我們學(xué)習(xí)了動(dòng)量、動(dòng)量定理，上節(jié)課我們通過牛頓運(yùn)動(dòng)定律和動(dòng)量定理得到了動(dòng)最守恒定律，知道了動(dòng)量守恒定律的內(nèi)容和條件，能夠用動(dòng)量的相關(guān)知識(shí)解釋一些生活中的現(xiàn)象。動(dòng)量守恒律的內(nèi)容和表達(dá)式是什么？物體間動(dòng)量守恒的條件是什么？回憶上一節(jié)動(dòng)量守恒定律

動(dòng)量守恒定律的適用條件是系統(tǒng)不受外力或者所受外力的矢量和為0。我們生活中的碰撞，很難達(dá)到這種理想化的條件。方案一：研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)思路：我們利用氣墊導(dǎo)軌來減小摩擦力，利用光電計(jì)時(shí)器測量滑塊碰撞前后的速度。可以通過在滑塊上添加已知質(zhì)量的物塊來改變碰撞物體的質(zhì)量。方案一：研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)器材：氣墊導(dǎo)軌、光電計(jì)時(shí)器、天平、滑塊(兩個(gè))、彈簧片、細(xì)繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等1.實(shí)驗(yàn)方案(1)實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示.二、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案一：研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).情形①:在兩個(gè)滑塊之間放置輕質(zhì)彈簧,擠壓兩個(gè)滑塊使彈簧壓縮,并用一根細(xì)線將兩個(gè)滑塊固定,且使它們靜止.燒斷細(xì)線,彈簧彈開后落下,兩個(gè)滑塊由靜止向相反方向運(yùn)動(dòng)(圖甲).情形②:在兩滑塊相碰的端面裝上彈性碰撞架(圖乙),滑塊碰撞后隨即分開.這樣可以得到能量損失很小的碰撞.情形③:在兩個(gè)滑塊的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥(圖丙),碰撞時(shí)撞針插入橡皮泥中,兩個(gè)滑塊連成一體運(yùn)動(dòng),這樣可以得到能量損失很大的碰撞.甲乙丙2.實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)過程均可按實(shí)驗(yàn)方案合理安排,參考步驟如下:(1)用天平測量碰撞物體的質(zhì)量m1、m2;(2)安裝實(shí)驗(yàn)裝置;(3)使物體發(fā)生一維碰撞;(4)測量或讀出碰撞前后相關(guān)的物理量,計(jì)算對(duì)應(yīng)的速度;(5)改變碰撞條件,重復(fù)步驟(3)(4);(6)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,通過分析比較,驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律;(7)整理器材,結(jié)束實(shí)驗(yàn).3.數(shù)據(jù)記錄及分析將實(shí)驗(yàn)中測得的物理量填入下表,填表時(shí)需注意物體碰撞后運(yùn)動(dòng)的速度與原來的方向相反的情況.分析碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)量是否守恒.項(xiàng)目碰撞前碰撞后質(zhì)量m/kgm1m2m1m2

速度v/(m·s-1)v1v2v1'v2'

mv/(kg·m·s-1)m1v1+m2v2m1v1'+m2v2'

方案二:研究斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒1.實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示.(1)測質(zhì)量:用天平測出兩個(gè)小球的質(zhì)量,并選質(zhì)量大的小球?yàn)槿肷湫∏?(2)位移測量:分別測量不碰撞時(shí)小球的水平位移和兩小球碰撞后各自的水平位移.(3)安裝:將斜槽固定在鐵架臺(tái)上,并調(diào)整斜槽末端水平,在桌面上鋪上白紙,上面再鋪好復(fù)寫紙,記下鉛垂線所指的位置O.m1m2【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹框?yàn)證碰撞中兩小球的總動(dòng)量守恒【實(shí)驗(yàn)原理】質(zhì)量為m1和m2兩個(gè)小球發(fā)生正碰，若碰前m1運(yùn)動(dòng)，m2靜止m1>m2m1m2為防止碰后反彈【實(shí)驗(yàn)器材】碰撞實(shí)驗(yàn)器（斜槽）、半徑相同質(zhì)量不同的小球兩個(gè)、重垂線一條、白紙、復(fù)寫紙、天平、刻度尺、圓規(guī)【實(shí)驗(yàn)步驟】1.用天平測出兩個(gè)小球的質(zhì)量m1、m2。選質(zhì)量大的作為入射球m1游碼調(diào)平旋鈕左物右碼【實(shí)驗(yàn)步驟】2.按圖安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，使斜槽的末端切線水平（檢測）3.在地上鋪一張白紙，白紙上鋪放復(fù)寫紙，當(dāng)小球落在復(fù)寫紙上時(shí)，便在白紙上留下了小球落地的痕跡。4.在白紙上記下重錘線所指的位置O【實(shí)驗(yàn)步驟】5.先不放上被碰小球，讓入射小球從斜槽上同一高度滾下，重復(fù)10次，用盡可能小的圓把所有的小球落點(diǎn)圈在里面，圓心P就是小球落點(diǎn)的平均位置6.把被碰小球放在斜槽前端邊緣處，讓入射小球從原來的高度滾下，使它們碰撞。重復(fù)實(shí)驗(yàn)10次，用同樣的方法標(biāo)出碰撞后入射小球落點(diǎn)的平均位置M和被碰小球落點(diǎn)的平均位置N【實(shí)驗(yàn)步驟】7.用刻度尺測量線段OM、OP、ON的長度。把兩個(gè)小球的質(zhì)量和相應(yīng)的長度數(shù)值代入m1OP=m1OM+m2ON看是否成立。8.整理好實(shí)驗(yàn)器材放回原處【數(shù)據(jù)處理】如圖所示,連接ON,測量線段OP、OM、ON的長度,分析在誤差允許的范圍內(nèi)m1xOP=m1xOM+m2xON是否成立.三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論.在誤差允許的范圍內(nèi)m1xOP=m1xOM+m2xON成立,碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)量守恒典型例題例1.如圖所示，木塊A和木塊B用一根輕質(zhì)彈簧連在一起靜置于光滑水平地面上。某時(shí)刻木塊A獲得一瞬時(shí)速度，在彈簧壓縮過程中，關(guān)于木塊A、木塊B構(gòu)成的系統(tǒng)（不包含彈簧），下列說法正確的是（）A．系統(tǒng)動(dòng)量守恒，機(jī)械能守恒B．系統(tǒng)動(dòng)量守恒，機(jī)械能不守恒C．系統(tǒng)動(dòng)量不守恒，機(jī)械能守恒D．系統(tǒng)動(dòng)量不守恒，機(jī)械能不守恒B例2.如圖所示，A、B兩木塊緊靠在一起且靜止于光滑水平面上，物塊C以一定的初速度v0從A的左端開始向右滑行，最后停在B木塊的右端，對(duì)此過程，下列敘述正確的是()A．當(dāng)C在A上滑行時(shí)，A、C組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒B．當(dāng)C在B上滑行時(shí)，B、C組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒C．無論C是在A上滑行還是在B上滑行，A、B、C三物塊組成的系統(tǒng)動(dòng)量都守恒D．當(dāng)C在B上滑行時(shí)，A、B、C組成的系統(tǒng)動(dòng)量不守恒BC例3.如圖所示，在光滑的水平面上有A、B兩小球。A球質(zhì)量為3m，以水平速度v向右運(yùn)動(dòng)，B球靜止，質(zhì)量為2m，A、B兩球發(fā)生正碰后結(jié)合在一起運(yùn)動(dòng)的速度為（）A．0.4vB．0.6vC．0.8vD．1.5vB例3、某同學(xué)利用氣墊導(dǎo)軌做驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn),氣墊導(dǎo)軌裝置如圖所示,所用的氣墊導(dǎo)軌裝置由導(dǎo)軌、滑塊、彈射架、光電門等組成。(1)下面是實(shí)驗(yàn)的主要步驟:①安裝好氣墊導(dǎo)軌,調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)旋鈕,使導(dǎo)軌水平;②向氣墊導(dǎo)軌通入壓縮空氣;③接通數(shù)字計(jì)時(shí)器;④把滑塊2靜止放在氣墊導(dǎo)軌的中間;⑤滑塊1擠壓導(dǎo)軌左端彈射架上的橡皮繩;⑥釋放滑塊1,滑塊1通過光電門1后與左側(cè)帶有固定彈簧(未畫出)的滑塊2碰撞,碰后滑塊2和滑塊1依次通過光電門2,兩滑塊通過光電門2后依次被制動(dòng);⑦讀出滑塊通過光電門的擋光時(shí)間,滑塊1通過光電門1的擋光時(shí)間Δt1=10.01ms,通過光電門2的擋光時(shí)間Δt2=49.99ms,滑塊2通過光電門2的擋光時(shí)間Δt3=8.35ms;⑧測出擋光板的寬度d=5mm,測得滑塊1的質(zhì)量為m1=300g,滑塊2(包括彈簧)的質(zhì)量為m2=200g。(2)數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)論:①實(shí)驗(yàn)中氣墊導(dǎo)軌的作用是A.

;

B.

。

②碰撞前滑塊1的速度v1為

m/s;碰撞后滑塊1的速度v2為

m/s;碰撞后滑塊2的速度v3為

m/s。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)

③系統(tǒng)碰撞之前m1v1=

kg·m/s,系統(tǒng)碰撞之后m1v2+m2v3=

kg·m/s。

④實(shí)驗(yàn)結(jié)論:

。

答案:見解析解析:(2)①A.大大減小了因滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦而引起的誤差。B.保證兩個(gè)滑塊的碰撞是一維的。③系統(tǒng)碰撞之前m1v1=0.15

kg·m/s,系統(tǒng)碰撞之后m1v2+m2v3=0.15

kg·m/s。④在誤差允許的范圍內(nèi),滑塊碰撞前后系統(tǒng)的總動(dòng)量不變?？茖W(xué)思維1.完成本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是碰撞前、后速度的測量,做題時(shí)要明確實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想和速度測量的原理,同時(shí)注意單位和有效數(shù)字。2.本實(shí)驗(yàn)碰撞前、后速度的大小,采用極限法v=,其中d為遮光條的寬度。3.實(shí)驗(yàn)誤差存在的主要原因是摩擦力的作用。利用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行實(shí)驗(yàn),調(diào)節(jié)時(shí)注意利用水平儀,確保導(dǎo)軌水平。例4、如圖所示,用碰撞實(shí)驗(yàn)器可以驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律,即研究兩個(gè)小球在軌道水平部分碰撞前后的動(dòng)量關(guān)系。(1)實(shí)驗(yàn)中直接測定小球碰撞前后的速度是不容易的,但可以通過僅測量

(填選項(xiàng)前的字母)間接地解決這個(gè)問題。

A.小球開始釋放高度hB.小球拋出點(diǎn)距地面的高度h'C.小球做平拋運(yùn)動(dòng)的射程(2)圖中O點(diǎn)是小球拋出點(diǎn)在地面上的垂直投影。實(shí)驗(yàn)時(shí),先讓入射球m1多次從斜軌上S位置靜止釋放,找到其平均落地點(diǎn)的位置P,測量平拋射程lOP。然后,把被碰小球m2靜置于軌道的水平部分,再將入射球m1從斜軌上S位置靜止釋放,與小球m2相碰,并多次重復(fù)。接下來要完成的必要步驟是

。(填選項(xiàng)前的字母)

A.用天平測量兩個(gè)小球的質(zhì)量m1、m2B.測量小球m1開始釋放時(shí)的高度hC.測量拋出點(diǎn)距地面的高度h'D.分別找到m1、m2相碰后平均落地點(diǎn)的位置M、NE.測量平拋射程lOM、lON(3)經(jīng)測定,m1=45.0g,m2=7.5g,小球落地點(diǎn)的平均位置距O點(diǎn)的距離如圖所示。碰撞前后m1的動(dòng)量分別為p1與p1',則p1∶p1'=

∶11;若碰撞結(jié)束時(shí)m2的動(dòng)量為p2',則p1'∶p2'=11∶

。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,碰撞前后總動(dòng)量的比值=

。

答案:(1)C(2)ADE

(3)14

2.9

1.01故只需測射程,因而選C。(2)由表達(dá)式知,在lOP已知時(shí),需測量m1、m2、lOM和lON,故必要步驟有A、D、E?？茖W(xué)思維本題利用平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律,巧妙地提供了一種測量兩球碰撞前后速度的方法,由于平拋運(yùn)動(dòng)高度相同,下落時(shí)間相等,速度的測量可轉(zhuǎn)化為距離的測量。例5、某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn):在小車甲的前端粘有橡皮泥,推動(dòng)小車甲使之做勻速直線運(yùn)動(dòng),然后與原來靜止在前方的小車乙相碰并粘合成一體,而后兩車?yán)^續(xù)做勻速直線運(yùn)動(dòng),他設(shè)計(jì)的具體裝置如圖所示。在小車甲后連著紙帶,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)頻率為50Hz,長木板一端下面墊著小木片用以平衡摩擦力。(1)若已得到打點(diǎn)紙帶如圖所示,并將測得的各計(jì)數(shù)點(diǎn)間距離標(biāo)在圖上,A點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)起始的第一點(diǎn),則應(yīng)選

段來計(jì)算甲的碰前速度,應(yīng)選

段來計(jì)算甲和乙碰后的共同速度(以上兩空均選填“AB”“BC”“CD”或“DE”)。(2)已測得小車甲的質(zhì)量m甲=0.40kg,小車乙的質(zhì)量m乙=0.20kg,由以上測量結(jié)果可得:碰前m甲v甲+m乙v乙=

kg·m/s;碰后m甲v甲'+m乙v乙'=

kg·m/s(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。

(3)由(2)可得出的結(jié)論是

。

答案:(1)BCDE(2)0.420

0.417

(3)在誤差允許范圍內(nèi),碰撞前后兩個(gè)小車的總動(dòng)量是守恒的解析:(1)觀察打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶,