第一章 第4节 实验：验证动量守恒定律-2021-2022学年新教材高中物理选择性必修1【创新教程】五维课堂同步教师用书（人教版）

第4节　实验：验证动量守恒定律 [基础梳理] 1．实验目的 (1)验证碰撞中的动量守恒，明确基本实验思路和方案． (2)明确各物理量的测量方法和数据处理方法． 2．实验原理 在一维碰撞中，测出物体的质量和碰撞前后物体的速度，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．实验方案 [实验方案一]　利用气垫导轨验证—维碰撞中的动量守恒 如图甲所示． 甲 (1)质量的测量：用天平测量质量． (2)速度的测量：利用公式v＝，式中Δx为滑块上挡光片的宽度，Δt为数字计时器显示的挡光片经过光电门的时间． (3)利用在滑块上增加重物的方法改变碰撞物体的质量． (4)实验方法 ①选取两个质量不同的滑块，在两滑块相碰的端面上装上弹性碰撞架，可以得到能量损失很小的碰撞． ②在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥，碰撞时撞针插入橡皮泥中，把两个滑块连成一体运动，这样可以得到能量损失很大的碰撞． ③将弹簧压缩，放置于两个滑块之间，并用细线将两滑块固定，并使它们静止，然后烧断细线，弹簧弹开后落下，两个滑块随即向相反方向运动． [注意]　为了研究水平方向的一维碰撞，气垫导轨必须调水平． (5)数据的记录与处理 在记录速度时，若物体碰撞后速度的方向与原来的方向相反，要注意正负号. 项目 碰撞前 碰撞后 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′ 实验得出的结论 根据表中数据得出碰撞前后的动量守恒． (6)实验注意事项 ①碰撞有很多情形，我们验证碰撞中的动量守恒必须在各种碰撞情况下都不改变才符合要求． ②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． ③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水平． (7)误差分析 ①碰撞是否为一维碰撞是产生误差的一个原因，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(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的速度． ③测量滑块上挡光片的宽度时的误差要尽量减小． [实验方案二]　研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 (1)实验原理 　　　 图乙 让一个质量为m1(质量较大)的小球从斜槽上滚下来，跟放在斜槽末端的另一质量为m2(质量较小)的小球(两球半径相同)发生碰撞(正碰)．小球的质量可以用天平称出．两球碰撞前后的速度可以利用平抛运动的知识求出．设小球下落时间为t，质量为m1的入射小球碰撞前的速度为v1，碰撞后，入射小球的速度是v1′，被碰小球的速度是v2′.在图乙中，线段ON的长度是被碰小球飞出的水平距离；OM的长度是碰撞后入射小球飞出的水平距离；OP的长度则是不发生碰撞时入射小球飞出的水平距离．OP＝v1t，v1＝；OM＝v1′t，v1′＝；ON＝v2′t，v2′＝.由此可知小球飞出的水平距离可以表现出小球飞出时的速度． (2)实验步骤 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按照图丙所示安装实验装置，调整固定斜槽使斜槽使斜槽底端水平． ③白纸在下，复写纸在上，在适当位置铺放好．记下重垂线所指的位置O. ④不放被碰小球，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就是小球落点的平均位置． ⑤把被碰小球放在斜槽末端，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和被碰小球落点的平均位置N.如图所示． ⑥测量OP、OM、ON的长度．将测量数据填入表中. 项目 碰撞前 碰撞后 质量m/kg m1 m2 m1 m2 水平距离x/m x1(OP) — x1′(OM) x2′(ON) mx/(kg·m) m1x1 m1x1′＋m2x2′ 结论 (3)注意事项 ①入射小球的质量m1大于被碰小球的质量m2(m1＞m2)． ②入射小球的半径等于被碰小球的半径． ③入射小球每次必须从斜槽上同一高度处由静止滚下． ④斜槽末端的切线必须水平． ⑤两球碰撞时，入射小球与被碰小球的球心连线与入射小球的初速度方向一致． ⑥地面必须水平，白纸铺好后，实验过程中不能移动，否则会造成很大的误差． (4)数据处理与误差分析 ①数据处理 本实验运用转换法，即将测量小球做平抛运动的初速度转换成测平抛运动的水平位移；由于本实