1.4 实验：验证动量守恒定律-2021-2022学年高二物理教学一体案（人教版2019选择性必修第一册）

§1-4　实验：验证动量守恒定律 一、学习目标 1.会根据器材和要求设计实验方案. 2.通过实验验证一维碰撞情况下系统的动量守恒． 二、学习过程 【知识点】 一、实验原理 在一维碰撞的情况下，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′，若系统所受合外力为零，则系统的动量守恒，则m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′. 二、实验方案设计 方案1：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 (1)质量的测量：用天平测量． (2)速度的测量：v＝，式中的d为滑块上挡光板的宽度，Δt为数字计时器显示的滑块上的挡光板经过光电门的时间． (3)碰撞情景的实现：如图所示，利用弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥设计各种类型的碰撞，利用在滑块上加重物的方法改变碰撞物体的质量． (4)器材：气垫导轨、数字计时器、滑块(带挡光板)两个、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥、天平． 方案2：研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 如图甲所示，让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来，与放在斜槽水平末端的另一质量较小的同样大小的小球发生碰撞，之后两小球都做平抛运动． (1)质量的测量：用天平测量． (2)速度的测量：由于两小球下落的高度相同，所以它们的飞行时间相等．如果以小球的飞行时间为单位时间，那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平速度．只要测出不放被碰小球时入射小球在空中飞出的水平距离OP，以及碰撞后入射小球与被碰小球在空中飞出的水平距离OM和ON，就可以表示出碰撞前后小球的速度． (3)碰撞情景的实现： ①不放被碰小球，让入射小球m1从斜槽上某一位置由静止滚下，记录平抛的水平位移OP. ②在斜槽水平末端放上被碰小球m2，让m1从斜槽同一位置由静止滚下，记下两小球离开斜槽做平抛运动的水平位移OM、ON. ③验证m1·OP与m1·OM＋m2·ON在误差允许范围内是否相等． (4)器材：斜槽、两个大小相等而质量不等的小球、铅垂线、白纸、复写纸、刻度尺、天平、圆规． 三、实验步骤 不论哪种方案，实验过程均可按实验方案合理安排，参考步骤如下： (1)用天平测出相关质量． (2)安装实验装置． (3)使物体发生一维碰撞，测量或读出相关物理量，计算相关速度，填入预先设计好的表格． (4)改变碰撞条件，重复实验． (5)通过对数据的分析处理，验证碰撞过程动量是否守恒． (6)整理器材，结束实验. 【典例】 （一）验证气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 例题1、如图甲所示为验证动量守恒的实验装置，气垫导轨置于水平桌面上，G1和G2为两个光电门，A、B均为弹性滑块，质量分别为mA、mB，且选择mA大于mB，两遮光片沿运动方向的宽度均为d，实验过程如下： ①调节气垫导轨成水平状态； ②轻推滑块A，测得A通过光电门G1的遮光时间为t1； ③A与B相碰后，B和A先后经过光电门G2的遮光时间分别为t2和t3。 回答下列问题： (1)用螺旋测微器测得遮光片宽度如图乙所示，读数为____________ mm； (2)实验中选择mA大于mB的目的是：____________； (3)碰前A的速度为________________。 (4)利用所测物理量的符号表示动量守恒成立的式子为：________________。 【答案】1.195（1.193~1.197均可） 保证碰撞后滑块A不反弹 【详解】 (1)[1]螺旋测微器的精确度为0.01 mm，转动刻度的格数估读一位，则遮光片宽度为 d=1mm＋19.5×0.01mm=1.195mm (2) [2]A和B发生弹性碰撞，若用质量大的A碰质量小的B，则不会发生反弹。 (3) [3]滑块经过光电门时挡住光的时间极短，则平均速度可近似替代滑块的瞬时速度，则碰前A的速度 (4) [4]碰后A的速度碰后B的速度由系统动量守恒有mAvA＝mAvA′＋mBvB′ 化简可得表达式 （二）验证斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 例题2、如图，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，可以通过仅测量_______ （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．小球抛出点距地面的高度H C．小球做平抛运动的射程 （2）图中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