【高中物理】實驗：驗證動量守恒定律（教學課件）（人教版2019選擇性必修第一冊）

第四節(jié)

實驗：驗證動

量守恒定律目錄03數據分析0102物理量的測量實驗思路04方案設計1.系統(tǒng)動量守恒的條件是什么？課堂引入(1)系統(tǒng)不受外力；(理想條件)(2)系統(tǒng)受到外力，但外力的合力為零；(實際條件)(3)系統(tǒng)所受外力合力不為零，但系統(tǒng)內力遠大于外力，外力相對來說可以忽略不計，因而系統(tǒng)動量近似守恒；(近似條件）(4)系統(tǒng)總的來看雖不符合以上三條中的任何一條，但在某一方向上符合以上三條中的某一條，則系統(tǒng)在這一方向上動量守恒.(單向條件)2.系統(tǒng)滿足動量守恒定律的公式是什么？課堂引入

上一節(jié)課我們分別通過動量定理和牛頓運動定律兩個不同的角度，理論上證明了動量守恒定律，那么我們如何通過實驗來加以驗證呢？第一部分：實驗思路一、實驗思路問題：生活中什么樣的過程可以盡可能的滿足動量守恒的條件？

碰撞過程——盡管生活中碰撞的物體所受合外力不能為零，但在這一過程中往往內力遠大于外力，我們可以近似認為碰撞滿足動量守恒定律的條件。

ABm1m2m1m2m1m2AB第二部分：物理量的測量二、物理量的測量1.根據動量守恒定律的表達式：m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'，實驗中我們需要測量哪些物理量？（1）測量物體的質量：m1和m2（2）測量物體碰撞前后的速度：v1、v2、v1'、v2'2.如何測兩個物體的質量？物體質量可用天平直接測量3.如何測量物體碰撞前后的速度？根據你所學以往知識能說出幾種？（1）利用打點計時器測速（2）利用光電門測速（3）利用機械能守恒定律測速（4）利用平拋運動測速第三部分：數據分析三、數據分析利用碰撞進行驗證動量守恒定律時，在數據分析上會存在哪些困難，我們如何設計實驗才能方便數據分析？動量是矢量，在計算兩物體碰撞前后動量之和時可能設計用到平行四邊形法則，這在計算上難度大，為了減少數據分析困難，我們可以利用碰撞前后物體都在同一直線上運動（一維碰撞問題）。

ABm1m2m1m2m1m2AB第四部分：方案設計（一）實驗器材可供選擇的實驗器材：打點計時器刻度尺氣墊導軌鐵架臺斜槽光電門學生電源重錘線滑塊（帶遮光板）白紙復寫紙鋼球塑料球長1m的細繩長木板紙帶圓規(guī)照相機彈性碰撞架彈簧和彈簧片天平砝碼撞針橡皮泥你是否可以從以上器材中選擇其中的一些，設計除符合要求的實驗方案來？（二）方案設計方案一：研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒實驗器材設計思路（1）如何調整使系統(tǒng)合外力為0？（2）實驗得到什么樣的結果說明系統(tǒng)動量守恒？（二）方案設計實驗步驟(1)用天平測量兩滑塊的質量m1、m2，填入預先設計好的表格中。(2)安裝光電門，使兩個光電門之間的距離約為50cm。(3)導軌通氣后，調節(jié)氣墊導軌水平，使滑塊在氣墊導軌上保持不動或勻速直線運動。(4)使兩滑塊依次發(fā)生上圖三種碰撞情況，計算滑塊碰撞前后的速度。(5)改變滑塊質量，重復步驟(4)。(6)整理實驗儀器，數據處理，尋找守恒量。彈性碰撞架（二）方案設計（二）方案設計（二）方案設計（二）方案設計實驗數據記錄與處理mA＞mB,運動滑塊A撞擊靜止滑塊B。兩靜止滑塊被彈簧彈開，一個向左，一個向右

彈性碰撞架mAv1=mA·v2+mBv3mAv=(mA+mB)v共0=mAvA-mBvB運動滑塊A撞擊靜止滑塊B，撞后兩者粘在一起。（二）方案設計比較項前后質量m1m2m1m2

時間t1t2t1't2'

之和

實驗數據記錄與處理實驗結論在實驗誤差允許范圍內，碰撞前后兩個小車的動量守恒。（二）方案設計注意事項（1）保證是一維碰撞。（2）氣墊導軌是一種精度較高的現(xiàn)代化教學儀器。切忌振動、重壓，嚴防碰傷和劃傷，絕對禁止在不通氣的情況下將滑行器在軌面上滑磨。調整水平時注意利用水平儀。（3）由于碰撞的情形很多，猜想的不變量只有在各種方案中都不變才能符合要求，成為實驗結論。（4）考慮到速度的矢量性，記錄數據時應規(guī)定正方向。若速度方向與規(guī)定的正方向相同，則速度取正值，若速度方向與規(guī)定方向相反，則取負值。（二）方案設計方案二：用平拋演示儀裝置驗證動量守恒定律實驗器材設計思路（1）該實驗動量守恒的條件是什么？（2）實驗得到什么樣的結果說明系統(tǒng)動量守恒？（二）方案設計實驗步驟(1)先用天平稱量出兩個小球的質量m1、m2。(2)安裝好實驗裝置，注意使實驗器的斜槽末端點的切線水平。(3)在地上鋪一張白紙，白紙上鋪放復寫紙。(4)在白紙上記下重垂線所指的位置O，它表示入射小球m1碰撞前球心的豎直投影點。(5)先不放被碰小球，讓入射小球從斜槽上同一位置處靜止?jié)L下，重復10次，用圓規(guī)畫盡可能小的圓把所有的小球落點圈在里面，圓心就是入射小球不碰撞時的落地點。（6）把被碰小球放在斜槽軌道末端，讓入射小球從同一位置靜止?jié)L下，使它們發(fā)生正碰，重復10次，同理求出入射小球落點的平均位置M和被碰小球落點的平均位置N。（二）方案設計（二）方案設計實驗數據記錄與處理用刻度尺測出線段OM、OP、ON的長度，把兩小球的質量和相應的水平位移數值代入m1OP＝m1OM＋m2ON，看等式是否成立。PMNOm1m2實驗結論結論:碰撞前兩小球的動量之和等于碰撞后兩小球的動量之和。m1OP=m1OM+m2ON（二）方案設計注意事項（1）斜槽末端要切線要水平；（2）每次小球下滑要從同一位置處由靜止釋放；

（3）要保證對心碰撞，兩球必須大小相等；（4）小球的諸多落點要用用圓規(guī)畫盡可能小的圓把所有的小球落點都圈在里面，該小圓的圓心即為小球的平均落點；（5）

入射小球的質量mA和被碰小球的質量mB的大小關系是mA

>mB

。（二）方案設計方案三：單擺測速驗證動量守恒實驗器材設計思路（1）該實驗動量守恒的條件是什么？（2）實驗得到什么樣的結果說明系統(tǒng)動量守恒？（二）方案設計實驗步驟(1)先用天平稱量出兩個小球的質量m1、m2。(2)安裝好實驗裝置，注意使兩球球心在同一水平線上。(3)現(xiàn)將A球拉開讓細繩與豎直方向夾角為θ，然后將細繩由靜止釋放，然后讓其與B球相撞，然后記下AB組合達到最高點時細繩與豎直方向的夾角β。(4)記錄對應的θ和β。（二）方案設計實驗數據記錄與處理比較項前后質量m1m2m1m2

時間θ1β1θ2β2

實驗結論結論:碰撞前兩小球的動量之和等于碰撞后兩小球的動量之和。（二）方案設計方案四：用打點計時器驗證動量守恒實驗器材設計思路（1）如何調節(jié)使該實驗裝置動量守恒？（2）實驗得到什么樣的結果說明系統(tǒng)動量守恒？（二）方案設計實驗步驟(1)先用天平稱量出兩個小車的質量m1、m2。(2)安裝好實驗裝置，注意使兩小車重心在同一水平線上。(3)將固定帶有打點計時器的一端墊高，將小車放在軌道上，輕輕推動小車，讓小車在軌道上做勻速直線運動。(4)將紙帶穿過打點計時器并固定在小車A的一端，讓小車B靜止的放置在木板上；（5）先接通電源，再釋放紙帶，接著與原來靜止在前方的小車B相碰并粘合成一體繼續(xù)運動；（6)關閉電源，取下紙帶，換上新紙帶，重復步驟(4)(5)(6)，選出較理想的紙帶如圖乙所示；（二）方案設計比較項前后質量m1m2

速度v1v共

動量之和

實驗數據記錄與處理實驗結論在實驗誤差允許范圍內，碰撞前后兩個小車的動量守恒。第四部分：鞏固提升課堂小結實驗：驗證動量守恒動量定律物理量的測量方案設計實驗思路方案一：研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒方案二：用平拋演示儀裝置驗證動量守恒定律方案三：單擺測速驗證動量守恒方案四：用打點計時器驗證動量守恒。數據分析課堂練習1.某同學利用氣墊導軌做驗證動量守恒定律的實驗,氣墊導軌裝置如圖所示,所用的氣墊導軌裝置由導軌、滑塊、彈射架、光電門等組成。(1)下面是實驗的主要步驟:①安裝好氣墊導軌,調節(jié)氣墊導軌的調節(jié)旋鈕,使導軌水平;②向氣墊導軌通入壓縮空氣;③接通數字計時器;④把滑塊2靜止放在氣墊導軌的中間;⑤滑塊1擠壓導軌左端彈射架上的橡皮繩;課堂練習⑥釋放滑塊1,滑塊1通過光電門1后與左側帶有固定彈簧(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;⑦讀出滑塊通過光電門的擋光時間,滑塊1通過光電門1的擋光時間Δt1=10.01ms,通過光電門2的擋光時間Δt2=49.99ms,滑塊2通過光電門2的擋光時間Δt3=8.35ms;⑧測出擋光板的寬度d=5mm,測得滑塊1的質量為m1=300g,滑塊2(包括彈簧)的質量為m2=200g。課堂練習(2)數據處理與實驗結論:①實驗中氣墊導軌的作用是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。(結果均保留兩位有效數字)

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實驗結論:

。

答案:見解析課堂練習解析:(2)①A.大大減小了因滑塊和導軌之間的摩擦而引起的誤差。B.保證兩個滑塊的碰撞是一維的。③系統(tǒng)碰撞之前m1v1=0.15kg·m/s,系統(tǒng)碰撞之后m1v2+m2v3=0.15kg·m/s。④在誤差允許的范圍內,滑塊碰撞前后系統(tǒng)的總動量不變。課堂練習2.如圖所示,用碰撞實驗器可以驗證動量守恒定律,即研究兩個小球在軌道水平部分碰撞前后的動量關系。(1)實驗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

(填選項前的字母)間接地解決這個問題。

A.小球開始釋放高度hB.小球拋出點距地面的高度h'C.小球做平拋運動的射程課堂練習(2)圖中O點是小球拋出點在地面上的垂直投影。實驗時,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。接下來要完成的必要步驟是

。(填選項前的字母)

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

∶11;若碰撞結束時m2的動量為p2',則p1'∶p2'=11∶

。實驗結果說明,碰撞前后總動量的比值

=

。

答案:(1)C

(2)ADE

(3)14

2.9

1.01課堂練習故只需測射程,因而選C。(2)由表達式知,在lOP已知時,需測量m1、m2、lOM和lON,故必要步驟有A、D、E。課堂練習課堂練習3.某同學設計了一個用打點計時器驗證動量守恒定律的實驗:在小車甲的前端粘有橡皮泥,推動小車甲使之做勻速直線運動,然后與原來靜止在前方的小車乙相碰并粘合成一體,而后兩車繼續(xù)做勻速直線運動,他設計的具體裝置如圖所示。在小車甲后連著紙帶,打點計時器打點頻率為50Hz,長木板一端下面墊著小木片用以平衡摩擦力。課堂練習(1