第1章 第4节 实验：验证动量守恒定律（教师用书Word）-【状元桥·优质课堂】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修 第一册（人教版 2019）

第4节　实验：验证动量守恒定律 [学习目标]　1.通过研究气垫导轨上滑块碰撞实验验证动量守恒定律(科学探究).2.通过研究斜槽末端小球碰撞实验验证动量守恒定律(科学探究).3.了解实验原理，学会用不同的方法处理实验数据(科学思维)． 知识点一　实验思路 1．实验目的：验证碰撞过程中的动量守恒． 2．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v′1、v′2，若系统所受合外力为零，则系统的动量守恒，即m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2. 3．实验方案 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：利用公式v＝，式中的Δx为滑块上挡光板的宽度，Δt为数字计时器上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、重垂线、白纸、复写纸、刻度尺、天平、圆规． 知识点二　数据处理 方案1：利用气垫导轨完成一维碰撞实验 1．滑块速度的计算：v＝，式中Δx为滑块挡光片的宽度(仪器说明书上给出，也可直接测量)，Δt为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间． 2．验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2. 方案2：利用斜槽小球完成一维碰撞实验 1．小球速度的计算：利用平抛运动规律，把测量速度大小变成测量小球做平抛运动水平位移的大小． 2．验证的表达式：m1·OP＝m1·OM＋m2·ON. 知识点三　注意事项 1．前提条件：保证两物体发生的是一维碰撞，即两物体碰撞前、后均沿同一直线运动． 2．方案提醒 (1)若利用气垫导轨进行验证，造成实验误差的主要原因是存在摩擦力，所以调整气垫导轨时，应注意利用水平仪确保导轨水平. (2)若利用斜槽末端小球碰撞验证： ①斜槽末端的切线必须水平. ②入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放． ③选质量较大的小球作为入射小球． ④入射小球半径等于被碰小球半径． 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． ⑥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. 考点一　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时即为正值，跟正方向相反时即为负值，比较m1v1＋m2v2与m1v′1＋m2v′2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． 【例题1】 某同学利用气垫导轨做验证动量守恒定律的实验，气垫导轨装置如图所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成． 下面是实验的主要步骤： ①安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平； ②向气垫导轨通入压缩空气； ③接通数字计时器； ④把滑块2静置于气垫导轨上光电门1、2之间某一位置； ⑤滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳； ⑥释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧带有固定弹簧(未画出)的滑块2碰撞，碰撞后滑块2和滑块1依次通过光电门2； ⑦读出滑块通过光电门的挡光时间，滑块1通过光电门1的挡光时间为Δt1，通过光电门2的挡光时间为Δt2，滑块2通过光电门2的挡光时间为Δt3； ⑧测出挡光板的宽度为d，两滑块质量分别为m1、m2. 回答