1.4 实验：验证动量守恒定律-2021-2022学年高二物理精讲与精练高分突破考点专题系列（人教版2019选择性必修第一册）

第一章 动量守恒定律 1.4：实验：验证动量守恒定律 一：知识精讲归纳 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Δx为滑块上挡光板的宽度，Δt为数字计时显示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1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． 图1 (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2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． 图2 (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s1，以及碰撞后入射小球与被碰小球在空中飞出的水平距离s1′和s2′，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s1. 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s1′、s2′. ③验证m1s1与m1s1′＋m2s2′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、重垂线、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. 一、验证气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 1．本实验碰撞前、后速度大小的测量采用极限法，v＝，其中d为挡光板的宽度． ＝ 2．注意速度的矢量性：规定一个正方向，碰撞前后滑块速度的方向跟正方向相同即为正值，跟正方向相反即为负值，比较m1v1＋m2v2与m1v1′＋m2v2′是否相等，应该把速度的正负号代入计算． 3．造成实验误差的主要原因是存在摩擦力．利用气垫导轨进行实验，调节时确保导轨水平． 二、验证斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 本实验方案需要注意的事项 (1)入射小球的质量m1大于被碰小球的质量m2(m1>m2)． (2)入射小球半径等于被碰小球半径． (3)入射小球每次必须从斜槽上同一高度处由静止滚下． (4)斜槽末端的切线方向水平． (5)为了减小误差，需要找到不放被碰小球及放被碰小球时小球落点的平均位置．为此，需要让入射小球从同一高度多次滚下，进行多次实验． 二：考点题型归纳 题型一：验证气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 1．（2021·江苏·沛县教师发展中心高二月考）某实验组同学利用固定在气垫导轨上的光电门A、B和光电计时装置，以及带有挡光条的滑块C、D来验证动量守恒定律，已知挡光条的挡光宽度为L，实验装置如题图所示，采用的实验步骤如下： a．调节气垫导轨底座螺母，使导轨成水平状态； b．在滑块C、D间放入一个轻质弹簧，用一条细线捆绑住三者成一水平整体，静置于导轨中部； c．将光电门远离滑块C、D两端； d．烧断捆绑的细线，使滑块C、D在弹簧作用下分离，分别通过光电门A、B； e．由光电计时器记录滑块C第一次通过光电门A时挡光条挡光的时间，以及滑块D第一次通过光电门B时挡光条挡光的时间； （1）实验中还应测量的物理量是______；（写出名称及表示符号） （2）根据上述测量的实验数据及已知量，验证动量守恒定律的表达式是______；上式中算得的C、D两滑块的动量大小并不完全相等，产生误差的主要原因是______； （3）利用上述实验数据______（填写“能”或“否”）测出被压缩弹簧的弹性势能的大小？如能，请写出计算表达式，若不能说明理由：______； （4）小组里某同学发现某次操作时，由于光电门离滑块太近，在弹簧还没完全弹开时滑块C、D同时通过了光电门，请你帮他判断，此时测量数据动量守恒吗？______（选填“守恒”或“不守恒”） 2．（2021·山