2014届高考物理人教版一轮总复习配套课件 3-5.3 实验十六：验证动量守恒定律.ppt

1、学案3 实验十六：验证动量守恒定律1.实验目的是什么？(1)验证一维碰撞中的动量守恒。(2)探究一维弹性碰撞的特点。2.实验原理是怎样的？在一维碰撞中，测出物体的质量m和碰撞前后物体的速率v、v，找出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p=m1v1+m2v2，看碰撞前后动量是否守恒。3.实验器材有哪些？方法一：气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、撞针、橡皮泥。方法二：带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸。方法三：光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥。方法四：斜槽，大小相等、质量不同的小钢球两个，重垂线一条

2、，白纸，复写纸，天平一台，刻度尺，圆规。1.实验步骤方法一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验(1)测质量：用天平测出两滑块质量。(2)安装：正确安装好气垫导轨。(3)实验：接通电源，利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度(改变滑块的质量，改变滑块初速度的大小和方向)。(4)验证一维碰撞中的动量守恒。方案二：利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验(1)测质量：用天平测出两小球的质量m1、m2。(2)安装：把两个等大小球用等长线悬挂起来。(3)实验：一个小球静止，拉起另一个小球，放下时它们相碰。(4)测速度：可以测量小球被拉起的角度，从而算出碰撞小球的速度，测量碰撞后小球摆起的角度

3、，算出碰撞后对应的小球的速度。(5)改变条件：改变碰撞条件，重复实验。(6)验证一维碰撞中的动量和守恒。方法三：在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验(1)测质量：用天平测出两小车的质量。(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，接在小车上的后面，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，把两小车连接成一体一起运动。(4)测速度：通过纸带上两计数点间的距离及时间，由v=x/t算出速度。(5)改变条件：改变改变撞条件，重复实验。(6)验证：一维碰撞中的动量守恒。方案四：利用等大小球做平抛运动完成一维

4、碰撞实验(1)先用天平测出小球质量m1、m2。(3)在地上铺一张白纸，在白纸上铺放复写纸。(4)在白纸上记下重垂线所指的位置O，表示入射球m1碰前的位置。(5)先不放被碰小球，让入射小球从斜率槽上同一高度处滚下，重复10次，用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面，圆心就是入射小球发生碰撞前的落地点P。(6)把被碰小球放在斜槽的末端，让入射小球从同一高度滚下，使它发生正碰，重复10次，仿步骤(5)求出入射小球落地点的平均位置M和被碰小球落地点的平均位置N。(7)过O和N在纸上作一直线。(8)用刻度尺量出线段OM、OP、ON的长度。把两小球的质量和相应的数值代入m1OP=m1OM+m2ON,

5、看是否成立。图3.5-3-1(2)按如图3.5-3-1所示那样安装好实验装置，将斜槽固定在桌边，使槽的末端点切线水平，调节实验装置使两小球碰时处于同水平高度，且碰撞瞬间入射小球与被碰小球的球心连线与轨道末端的切线平行，以确保正碰后的速度方向水平。2.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：若利用气垫导轨进行实验，调整气势导轨时，注意利用水平仪确保导轨水平。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，两条摆球应在同一竖直平面内。若利用斜槽小球碰撞应注意：a.斜槽末端的切线必须水平；b.入射小球每次都必须从斜槽同一

6、高度由静止释放；c.选质量较大的小球作为入射小球；d.实验过程中实验桌、斜槽、记录的白纸的位置要始终保持不变。(3)探究结论：探究动量守恒定律。3.误差分析(1)系统误差：主要来原于装置本身是否符合要求，即：碰撞是否为一维碰撞；实验是否满足动量守恒的条件，如气垫导轨是否水平，两球是否等大，长木板实验是否平衡掉摩擦力。(2)偶然误差：主要来源于质量m和速度v的测量。【例1】某同学利用打点计时器和气垫导轨做探究动量守恒定律的实验。气垫导轨装置如图3.5-3-2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

7、小孔中喷出，使滑块稳定地漂浮在导轨上，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。图3.5-3-2(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，使导轨水平；向气垫导轨通入压缩空气；把打点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3.5-3-3所示；测得滑块1的质量为310 g，滑块2(包括橡皮泥)的质量为205

8、 g。完善实验步骤的内容。(2)已知打点计时器每隔0.02 s打一个点，计算可知两滑块相互作用以前系统的总动量为_kgm/s；两滑块相互作用以后系统的总动量为_kgm/s(保留三位有效数字)。(3)试说明(2)中两结果不完全相等的主要原因是_。图3.5-3-3思路点拨：由纸带分别求出碰撞后的速度大小(碰前速度大)，由p=mv分别求出碰撞前后动量的大小，然后进行比较。(1)实验时应先接通打点计时器的电源，再放开滑块。(2)作用前系统的总动量为滑块1的动量p0=m1v0，v0=0.2/0.1 m/s=2 m/s，p0=0.312 kgm/s=0.620 kgm/s。作用后系统的总动量为滑块1和滑动

9、2的动量和，且此时两滑块具有相同的速度v，v=0.168/0.14 m/s=1.2 m/s，p=(m1+m2)v=(0.310+0.205)1.2 kgm/s=0.618 kgm/s。(3)存在误差的主要原因是纸带与打点计时器限位孔有摩擦。(1)接通打点计时器的电源放开滑块1 (2)0.620 0.618 (3)纸带与打点计时器限位孔有摩擦如图3.5-3-4所示，用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律，即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。(1)实验中，直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的。但是，可以通过测量_(填选项前的符号)，间接地解决这个问题。A.小球开始释放高度h B.小球抛出

10、点距地面的高度H C.小球做平抛运动的射程(2)如图3.5-3-6所示中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影。实验时，先让入射球m1多次从斜轨上S位置由静止释放，找到其平均落地点的位置P，测量平抛射程OP。然后，把被碰小球m2静置于轨道的水平部分，再将入射球m1，从斜轨上S位置由静止释放，与小球m2相碰，并多次重复。接下来要完成的必要步骤是_。(填选项前的符号)A.用天平测量两个小球的质量m1、m2 B.测量小球m1开始释放高度h C.测量抛出点距地面的高度H D.分别找出m1、m2相碰后平均落地点的位置M、N E.测量平抛射程OM,ON图3.5-3-4(1)C (2)ADE或DEA或DAE (

11、3)m1OM+m2ON=m1OPm1OM2+m2ON2=m1OP2 (4)14 2.9 11.01 (5)76.8(3)若两球相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为_ (用中测量的量表示)；若碰撞是弹性碰撞。那么还应满足的表达式为_ (用中测量的量表示)。(4)经测定,m1=45.0 g，m2=7.5 g，小球落地点的平均位置距O点的距离如图3.5-3-5所示。碰撞前、后m1的动量分别为p1与p1，则p1:p1=_:11，若碰撞结束时m2的动量为p2,则p1:p2=11:_。实验结果说明，碰撞前、后总动量的比值p1/(p1+p2)为_。(5)有同学认为，在上述实验中仅更换两个小球的材质，其他条件

12、不变，可以使被碰小球做平抛运动的射程增大。请你用(4)中已知的数据，分析和计算出被碰小球m2平抛运动射程ON的最大值为_cm。图3.5-3-51.如图3.5-3-6所示是研究两小球碰撞的实验示意图，已知它们的质量分别为m1和m2,且m1=2m2，两小球的半径r相同。当小球m1从A处沿斜槽滚下经槽的末端水平飞出后落在地面上的P点处。当仍从A点滚下与放在斜槽前边缘处的小球m2对心碰撞后，m1、m2分别落到M和N点处，有直尺测得OM=19.0 cm,ON=68.2 cm,OP=53.3 cm。设碰前瞬间m1的速度大小为v1，碰后瞬间m1、m2的速度大小分别为v1、v2，小球做平抛运动的时间为T，则通

13、过以上实验数据，可以得到的结论是：_ _。m1OPm1OM+m2ON，即在误差允许范围内两小球碰撞前后动量守恒图3.5-3-62.如图3.5-3-7所示是用来验证动量守恒的实验装置，弹性球1用细线悬挂于O点，O点正下方桌子的边沿有一竖直立柱。实验时，调节悬点，使弹性球1静止时恰好与立柱上的球2接触且两球等高。将球1拉到A点由静止释放，当它摆动到悬点正下方时与球2发生对心碰撞，碰后球1向左最远可摆到B点，球2落到水平地面上的C点。测出A点离水平桌面的距离为a。B点离水平桌面的距离为b,C点与桌子边沿间的水平距离为c，此外：(1)还需要测量的量是_ _、_和_。(2)根据测量的数据，该实验中动量守

14、恒的表达式为_。(忽略小球的大小)图3.5-3-7弹性球1、2的质量m1、m2立柱高h桌面高H3.气垫导轨是常用的一种实验仪器，它是利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上，滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦。我们可以用带竖直挡板C和D的气垫导轨和滑块A和B验证动量守恒定律，实验装置如图3.5-3-8所示(弹簧的长度忽略不计)，采用的实验步骤如下：a.用天平分别测出滑块A、B的质量mA、mB；b.调整气垫导轨，使导轨处于水平；c.在A和B间放入一个被压缩的轻弹簧，用电动卡销锁住，静止放置在气垫导轨上；d.用刻度尺测出A的左端至挡板C的距离L1；e.按下电钮放开卡销，同时分别记录

15、滑块A、B运动时间的计时器开始工作，当A、B滑块分别碰撞挡板C、D时计时结束，记下A、B分别到达C、D的运动时间t1和t2。(1)实验中还应测量的物理量及其符号是_。(2)利用上述测量的实验数据，验证动量守恒定律的表达式是，上式中算得的A、B两滑块的动量大小并不完全相等，产生误差的原因是(至少答出两点)。mA(L1/t1)=mB(L2/t2)L1、L2、t1、t2、mA、mB测量误差等等图3.5-3-8B的右端至挡板D的距离L24.如图3.5-3-9所示A、B两滑块碰撞前后的闪光照片示意图(部分)。图中滑块A的质量为0.14 kg滑块B的质量为0.22 kg，所用标尺的最小分度值是0.5 cm

16、，每秒闪光10次。试根据图示回答：(1)作用前后滑块A动量的变化量为多少？方向如何？(2)碰撞前后总动量是否守恒？(1)0.077 kgm/s 方向向左(2)守恒图3.5-3-95.某同学利用如图3.5-3-10所示的装置验证动量守恒定律。图中两摆摆长相同，悬挂于同一高度，A、B两摆球均很小，质量之比为1:2。当两摆均处于自由静止状态时，其侧面刚好接触。向右上方拉动B球使其摆线伸直并与竖直方向成45角，然后将其由静止释放。结果观察到两摆球粘在一起摆动，且最大摆角为30。若本实验允许的最大误差为4%,此实验是否成功地验证了动量守恒定律？设摆球A、B的质量分别为mA、mB，摆长为l,B球的初始高度为h1,碰撞前B球的速度为vB。在不考虑摆线质量的情况下，根据题意及机械能守恒定律得h1=l(1-cos45)(1/2)mBvB2=mBgh1 设碰撞前、后两摆球的总动量的大小分别为p1、p2。有p1=mBvB联立式得同理可得联立式得代入已知条件得(p2/p1)2=1.03 由此可以推出(p2-p1)/p14%所以，此实验在规定的范围内验证了动量守恒定律。图3.5-3-10