2022年新教材高中物理 第一章 动量守恒定律 第4节 实验：验证动量守恒定律学案 新人教版选择性必修第一册.docx

1、第4节 实验：验证动量守恒定律课标解读课标要求素养要求1.明确验证动量守恒定律的基本思路。2.会根据器材和实验目的设计实验方案。3.知道实验数据的处理方法。1.能通过实验探究,分析总结碰撞中的不变量。2.经历实验过程,培养动手能力和合作意识。自主学习必备知识一、实验目的1.明确验证动量守恒定律的基本思路。2.验证一维碰撞中的动量守恒。3.知道实验数据的处理方法。二、实验原理在一维碰撞中，测出物体的质量m 和碰撞前后物体的速度v、v ，计算出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2 及碰撞后的动量p=m1v1+m2v2 ，看碰撞前后动量是否守恒。三、实验设计1.实验方案方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞

2、实验方案二：利用平抛运动验证碰撞中的动量守恒2.实验原理（1）质量的测量：利用天平（2）速度的测量方案一a.所需测量量：滑块（挡光板）的宽度x ，滑块（挡光板）经过光电门的时间t 。b.速度的计算：v=xt 。方案二：根据平抛运动知识，将速度的测量转化为长度的测量，用小球碰撞前后落地时的水平距离替代碰撞前后的速度。3.实验器材方案一：气垫导轨、数字计时器、天平、滑块（两个）、弹簧片、细线、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。方案二：斜槽，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。四、实验步骤实验设计方案一：利用气垫导轨使两滑块发生一维碰撞，装置如图。用以下

3、三种方式分别研究（1）如图所示，在两个滑块两端装上弹性碰撞架，研究碰撞中的动量守恒。（2）如图所示，在两滑块上分别装上撞针和橡皮泥，二者相碰撞后粘在一起，研究碰撞中的动量守恒。（3）如图所示，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，研究烧断细线前后的动量守恒。具体步骤：（1）用天平测量两滑块质量m1、m2 。（2）调整导轨使之处于水平状态，并使数字计时器系统正常工作。（3）记录光电门挡光片的宽度x 以及数字计时器显示的挡光时间t ，利用公式v=xt ，计算出两滑块碰撞前后的速度。探究相互作用前后不变的

4、量。（4）将实验中测得的物理量填入表格中。（m1= ；m2= ）项目碰撞前碰撞后速度v1v2v1v2动量m1v1+m2v2m1v1+m2v2代入m1v1+m2v2=m1v1+m2v2 （矢量式），看在误差允许的范围内是否成立。方案二：利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律，装置如图。（1）用天平测出两小球的质量，并选定质量大的小球为入射小球。（2）按照如图所示安装实验装置，调整固定斜槽使斜槽末端切线水平。（3）白纸在下，复写纸在上且在适当位置铺放好。记下铅垂线所指的位置O 。（4）不放被撞小球，让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，重复10次。用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面，圆心P

5、 就是小球落点的平均位置。（5）把被撞小球放在斜槽末端，让入射小球从斜槽同一高度自由滚下，使它们发生碰撞，重复实验10次。用步骤（4）的方法，标出碰后入射小球落点的平均位置M 和被撞小球落点的平均位置N ，如图所示。（6）连接ON ，测量线段OP、OM、ON 的长度。将测量数据填入自制的表中。计算m1xOP 及m1xOM+m2xON ，看在误差允许的范围内是否相等。五、数据处理1.计算表格中所涉及的各项的对应数据。2.比较各类碰撞前后的数据结果。3.结论：在误差允许的范围内，碰撞前后系统的总动量不变，即满足m1v1+m2v2=m1v1+m2v2 。六、误差分析1.碰撞是否为一维碰撞是产生误差的

6、一个原因，设计实验方案时应保证碰撞为一维碰撞。2.碰撞中是否受其他力（例如摩擦力）影响是带来误差的又一个原因，实验中要合理控制实验条件，避免除碰撞时相互作用力外的其他力影响物体速度。3.速度的测量误差，方案一是比较好的，光电计时误差较小，方案二误差稍大一些。综上所述，方案一相比之下较为准确，研究的项目也可以更多一些。4.偶然误差测量和读数的准确性带来的误差，实验中应规范测量和读数，同时增加测量次数，取平均值，尽量减小偶然误差的影响。七、注意事项1.保证两物体发生的是一维碰撞，即两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿同一直线运动。2.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

7、水平。互动探究关键能力探究点一 实验原理与操作例 在实验室里为了验证动量守恒定律，一般采用如图甲、乙所示的两种装置：（1）若入射小球质量为m1 ，半径为r1 ；被碰小球质量为m2 ，半径为r2 ，则 。A.m1m2 ，r1r2 B.m1m2 ，r1m2 ，r1=r2 D.m1m2 ；为使入射小球与被碰小球发生对心碰撞，要求两小球半径相等，故C 正确。（2）设入射小球为a ，被碰小球为b ，a 球碰前的速度为v1 ，a、b 相碰后的速度分别为v1、v2 。由于两球都从同一高度做平抛运动，当以运动时间为一个计时单位时，可以用它们平抛的水平位移表示碰撞前后的速度。因此，需验证的动量守恒关系m1v1=

8、m1v1+m2v2 可表示为m1x1=m1x1+m2x2 。所以需要直尺、天平，而无需弹簧测力计、秒表。由于题中两个小球都可认为是从槽口开始做平抛运动的，两球的半径不必测量，故无需游标卡尺。（3）得出验证动量守恒定律的结论应为m1OP=m1OM+m2ON 。探究归纳实验操作的关键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验证，调整气垫导轨时，应注意利用水平仪确保导轨水平。（2）若利用摆球进行验证，两摆球静止时球心应在同一水平线上，且刚好接触，摆线竖直。（3）若利用两小车相碰进行验证，要注意平衡摩擦力。（4）若利用平抛运动规律进行验证，安装实验装置时

9、，应注意调整斜槽，使斜槽末端水平，且选质量较大的小球为入射小球。迁移应用1.为了验证“两小球碰撞过程中的动量守恒”，某同学用如图所示的装置进行了如下的操作：将斜槽轨道的末端调整水平，在一块平木板表面先后钉上白纸和复写纸，并将该木板竖直立于靠近槽口处，使小球a 从斜槽轨道上某固定点由静止释放，撞到木板并在白纸上留下痕迹O ；将木板向右平移适当的距离固定，再使小球a 从原固定点由静止释放，撞到木板并在白纸上留下痕迹P ；把小球b静止放在斜槽轨道的水平段的最右端，让小球a 仍从原固定点由静止释放，和小球b相碰后，两小球撞到木板并在白纸上留下痕迹M 和N ；用天平测出a 、b 两个小球的质量分别为ma

10、 和mb ，用刻度尺测量白纸上O 点到M 、P 、N 三点的距离分别为yM 、yP 和yN 。根据上述实验，请回答下列问题：（1）为了减小实验误差，应该使mamb 。（填“大于”“等于”或“小于”）（2）小球a 和b发生碰撞后，小球a 在图中白纸上的撞击痕迹应是 点。（3）小球a 下滑过程中与斜槽轨道间存在摩擦力，这对实验结论 产生影响。（填“会”或“不会”）（4）用本实验中所测得的物理量来验证两小球碰撞过程中动量守恒，其表达式为 。（用ma、mb、yM、yP、yN 表示）答案：（1）大于（2）N （3）不会（4）mayP=mayN+mbyM解析：（1）为防止碰撞后入射球反弹，入射球的质量应大

11、于被碰球的质量，即应该使ma 大于mb 。（2）小球离开轨道后做平抛运动，设木板与抛出点之间的距离为x ，由平抛运动规律得水平方向x=vt ，竖直方向h=12gt2 ，解得v=xg2h 。碰撞前，小球a 落在题图中的P 点，设其水平初速度为v0 。小球a 和b发生碰撞后，小球a 的速度变小，下落的高度变大，即a 的落点应为题图中的N 点。（3）只要从同一位置由静止释放小球a ，小球a 到达轨道底端时的速度就相等，虽然小球a 下滑过程中与斜槽轨道间存在摩擦力，但这对实验结论不会产生影响。（4）碰后小球a 落在N 点，设其水平初速度为v1 ，小球b的落点是题图中的M 点，设其水平初速度为v2 。小

12、球碰撞的过程中若动量守恒，则有mav0=mav1+mbv2 ，即maxg2yP=maxg2yN+mbxg2yM ，则验证两球碰撞过程中动量守恒的表达式为mayP=mayN+mbyM 。探究点二 数据处理与误差分析例 某同学利用电火花计时器和气垫导轨做验证动量守恒定律的实验。气垫导轨装置如图(a) 所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成。在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着一定数量的小孔，向导轨空腔内不断通入压缩空气，空气会从小孔中喷出，使滑块稳定地飘浮在导轨上，这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差。（1）下面是实验的主要步骤：安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导

13、轨水平；向气垫导轨中通入压缩空气；把电火花计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧，将纸带穿过打点计时器与弹射架并固定在滑块1的左端，调节打点计时器的高度，直至滑块拖着纸带移动时，纸带始终在水平方向；使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；把滑块2放在气垫导轨的中间；先 ，然后 ，让滑块带动纸带一起运动；取下纸带，重复步骤，选出理想的纸带如图(b) 所示；测得滑块1的质量为310g ，滑块2（包括橡皮泥）的质量为205g 。完善实验步骤的内容。（2）已知打点计时器每隔0.02s 打一个点，计算可知两滑块碰撞以前系统的总动量为 kgm/s ；两滑块碰撞以后系统的总动量为 kgm/s 。( 结果均保

14、留三位有效数字）（3）试说明（2）中两结果不完全相等的主要原因是 。答案：（1）接通打点计时器的电源; 释放滑块1（2）0.620 ; 0.618（3）纸带和打点计时器限位孔之间有摩擦解析：（1）使用打点计时器时，先接通电源后释放纸带，所以先接通打点计时器的电源，后释放滑块1。（2）放开滑块1后，滑块1做匀速运动，跟滑块2发生碰撞后，跟滑块2一起做匀速运动，根据纸带的数据得，碰撞前滑块1的动量为p1=m1v1=0.3100.20.1kgm/s=0.620kgm/s ，滑块2的动量为零，所以碰撞前的总动量为0.620kgm/s ；碰撞后滑块1、2速度相等，所以碰撞后总动量为p2=(m1+m2)v

15、2=(0.310+0.205)0.1680.14kgm/s=0.618kgm/s 。（3）结果不完全相等是因为纸带与打点计时器限位孔之间有摩擦。探究归纳实验误差的来源1.主要来源于实验器材及实验操作等。（1）碰撞是否为一维。（2）气垫导轨是否完全水平，摆球受到空气阻力，小车受到长木板的摩擦力，入射小球的释放高度存在差异。2.主要来源于质量m1 、m2 和碰撞前后速度（或水平射程）的测量。迁移应用1.某校同学利用如图所示装置验证动量守恒定律。图中，水平气垫导轨上装有光电门C 和光电门D ，滑块A 、B 放在导轨上，位置如图所示；滑块A 的右侧装有弹簧片，滑块B 的左侧也装有弹簧片，两滑块上方都固

16、定有宽度一定的遮光片，光电门C 、D 分别连接着光电计时器（未画出），可以记录遮光片通过光电门的时间。实验步骤：A. 测量滑块A （含弹簧片）的质量mA 、滑块B （含弹簧片）的质量mB ；B. 测量滑块A 的遮光片的宽度d1 、滑块B 的遮光片的宽度d2 ；C. 给滑块A 一个向右的瞬时冲量，观察A 的运动情况和A 与B 相碰后A 、B 各自的运动情况；D. 记录下与光电门C 相连的光电计时器记录的时间，第一次时间为tC1 、第二次时间为tC2 ；E. 记录下与光电门D 相连的光电计时器记录的时间tD 。实验记录：mAmBd1d2tC1tC2tD100g300g1.00cm1.00cm2.5

17、00ms4.900ms5.100ms（1）碰撞前A 的速度大小v0=4.00m/s ，碰撞后A 的速度大小v1=m/s 。（2）碰撞前、后A 的动量变化量大小p=kgm/s 。（3）碰撞后B 的速度大小v2=1.96m/s 。（4）碰撞前、后B 的动量变化量大小p=0.588kgm/s 。（5）本实验的相对误差的绝对值可表达为=|p-pp|100% ，若5% ，则可以认为系统动量守恒，本实验的 。答案：（1）2.04 ; （2）0.604 ; （5）2.65%解析：（1）滑块A 在碰撞后的速度大小v1=d1tC2=1.0010-24.90010-3m/s2.04m/s 。（2）碰撞前、后A 的动量变化量大小p=mAv1-mA(-v0)=0.604kgm/s 。（5）本实验的p-pp|100%=|0.604-0.5880.604|100%2.65% 。