1-7 实验：探究动量守恒定律-【创新设计】2019版同步课堂讲义物理（教科版选修3-5）

7　实验：探究动量守恒定律 [目标定位]　1.明确探究物体碰撞中动量变化规律的基本思路.2.掌握直线运动物体速度的测量方法. [来源:学科网] 猜想与假设 为了使问题简化，这里研究两个物体的碰撞，且碰撞前两物体沿同一直线运动，碰撞后仍沿这一直线运动． 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′，如果速度与我们规定的正方向相同取正值，相反取负值． 根据实验求出两物体碰前动量p＝m1v1＋m2v2，碰后动量p′＝m1v1′＋m2v2′，看p与p′是否相等，从而验证动量守恒定律． 实验设计 实验设计需要考虑的问题： (1)如何保证碰撞前后两物体速度在一条直线上． (2)如何测定碰撞前、后两物体的速度． 实验案例　气垫导轨上的实验 气垫导轨、气泵、光电计时器、天平等． 气垫导轨装置如图1所示，由导轨、滑块、挡光片、光电门等组成，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，压缩空气会从小孔中喷出，使滑块稳定地漂浮在导轨上(如图2所示，图中气垫层的厚度放大了很多倍)，这样大大减小了由摩擦产生的影响． 图1 图2 (1)质量的测量：用天平测量． (2)速度的测量：用光电计时器测量． 设Δx为滑块(挡光片)的宽度，Δt为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间，则v＝. 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题1 问题2 问题3 实验步骤 1．如图2所示调节气垫导轨，使其水平．是否水平可按如下方法检查：打开气泵后，导轨上的滑块应该能保持静止． 2．按说明书连接好数字计时器与光电门． 3．如图3所示，把中间夹有弯形弹簧片的两滑块置于光电门中间保持静止，烧断拴弹簧片的细线，测出两滑块的质量和速度，将实验结果记入设计好的表格中． 图3 4．如图4所示，在滑块上安装好弹性碰撞架．将两滑块从左、右以适当的速度经过光电门后在两光电门中间发生碰撞，碰撞后分别沿各自碰撞前相反的方向运动再次经过光电门，光电计时器分别测出两滑块碰撞前后的速度．测出它们的质量后，将实验结果记入相应表格中． 图4 5．如图5所示，在滑块上安装好撞针及橡皮泥，将装有橡皮泥的滑块停在两光电门之间，装有撞针的滑块从一侧经过光电门后两滑块碰撞，一起运动经过另一光电门，测出两滑块的质量和速度，将实验结果记入相应表格中． 图5 6．根据上述各次碰撞的实验数据寻找物体碰撞中动量变化的规律． 气垫导轨实验数据记录表 碰撞(烧断)前 碰撞(烧断)后 质量m(kg) m1 m2 m1 m2 速度v(m·s－1) v1 v2 v1′ v2′ mv(kg·m·s－1) m1v1＋m2v2 m1v1′＋m2v2′ 结论 实验结论：碰撞前后两滑块的动量之和保持不变． 典例分析 【例1】　现利用图6(a)所示的装置验证动量守恒定律．在图(a)中，气垫导轨上有A、B两个滑块，滑块A右侧带有一弹簧片，左侧与打点计时器(图中未画出)的纸带相连；滑块B左侧也带有一弹簧片，上面固定一遮光片，光电计时器(未完全画出)可以记录遮光片通过光电门的时间． 图6 实验测得滑块A的质量m1＝0.310 kg，滑块B的质量m2＝0.108 kg，遮光片的宽度d＝1.00 cm；打点计时器所用交流电的频率f＝50.0 Hz. 将光电门固定在滑块B的右侧，启动打点计时器，给滑块A一向右的初速度，使它与B相碰．碰后光电计时器显示的时间为ΔtB＝3.500 ms，碰撞前后打出的纸带如图(b)所示． 若实验允许的相对误差绝对值(||×100%)最大为5%，本实验是否在误差范围内验证了动量守恒定律？写出运算过程． 答案　见解析 解析　滑块运动的瞬时速度大小v为 v＝① 式中Δs为滑块在时间Δt内走过的路程． 设纸带上打出相邻两点的时间间隔为T，则 T＝＝0.02 s② 设在A碰撞前后瞬时速度大小分别为v0、v1，将②式和图给实验数据代入①式可得： v0＝ m/s＝2.00 m/s③ v1＝ m/s＝0.970 m/s④ 设B在碰撞后的速度大小为v2，由①式有v2＝⑤ 代入题所给的数据可得：v2＝2.86 m/s⑥ 设两滑块在碰撞前后的动量分别为p和p′，则 p＝m1v0⑦ p′＝m1v1＋m2v2⑧ 两滑块在碰撞前后总动量相对误差的绝对值为 δγ＝||×100%⑨ 联立③④⑥⑦⑧⑨式并代入有关数据， 可得：δγ＝1.7%<5%⑩ 因此，本实验在允许的误差范围内验证了动量守恒定律． 【例2】　某同学利用气垫导轨做“探究碰撞中的动量变化规律”的实验，气垫导轨装置如图7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． 图7 (1)下面是实验的主要步骤： ①安装好气垫导轨，调