第1章 4 实验：验证动量守恒定律-【精讲精练】2023-2024学年高中物理选择性必修第一册教科版（教师用书）

4　实验：验证动量守恒定律 [学业要求与核心素养] 科学探究 1．会设计验证动量守恒定律的实验方案。 2．学会测量物体的质量和速度，验证在不受外力作用下系统动量守恒。 一、实验原理 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：用天平测量质量。 (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。如果用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。 二、实验器材 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 1．取两个大小相同的小球，测出它们的质量m1、m2，质量大的作为入射小球。 2．按图1所示安装好实验装置并使斜槽末端水平。 图1 3．在地上铺一张白纸，在白纸上铺放复写纸。 4．在白纸上记下重垂线所指的位置O(图2)，它表示两小球做平抛运动的初始位置的水平投影。 图2 5．先不放被碰小球，让入射小球从斜槽上某一高度处静止滚下，重复10次，用圆规画一个尽可能小的圆，把所有的小球落点圈在里面，圆心就是入射小球发生直接平抛的落地点P(图3)。 6．把被碰小球放在斜槽的末端，让入射小球从同一高度由静止滚下，使它们发生正碰，重复10次，仿照上面步骤得到入射小球落地点的平均位置M和被碰小球落地点的平均位置N(图3)。 图3 7．过O和N在纸上作一直线。 8．用刻度尺量出线段OM、OP、ON的长度。 9．把两小球的质量和相应的数值代入m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，看看是否成立。 四、注意事项 1．“水平”和“正碰”是操作中应尽量予以满足的前提条件。 2．斜槽末端必须水平。 3．入射球的质量应大于被碰球的质量。 4．入射球每次都必须从斜槽上同一位置由静止开始滚下。 探究点一　实验操作与数据处理 　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。 (1)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接通光电计时器； ④把滑块2静止放在气垫导轨的中间； 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后与左侧固定弹簧(未画出)的滑块2碰撞，碰后滑块2和滑块1依次通过光电门2，两滑块通过光电门2后依次被制动； ⑦读出滑块通过两个光电门的挡光时间分别为：滑块1通过光电门1的挡光时间Δt1＝10.01 ms，通过光电门2的挡光时间Δt2＝49.99 ms，滑块2通过光电门2的挡光时间Δt3＝8.35 ms； ⑧测出挡光片的宽度d＝5 mm，测得滑块1的质量为m1＝300 g，滑块2(包括弹簧)的质量为m2＝200 g。 (2)数据处理与实验结论： ①实验中气垫导轨的作用是： A．________________________________________________________________________； B．________________________________________________________________________。 ②碰撞前滑块1的速度v1为________________ m/s；碰撞后滑块1的速度v2为________________ m/s；滑块2的速度v3为______________ m/s。(结果均保留两位有效数字) ③碰撞之前，两物体的总动量为__________kg·m/s。 碰撞之后，两物体的总动量为__________kg·m/s。 由此可知两物体碰撞前后系统的总动量__________。 [解析]　(2)①A.大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差。B.保证两个滑块的碰撞是一维的。 ②滑块1碰撞之前的速度 v1＝＝ m/s≈0.50 m/s； 滑块1碰撞之后的速度 v2＝＝ m/s≈0.10 m/s； 滑块2碰撞之后的速度v3＝＝ m/s≈0.60 m/s； ③相碰之前p1＝m1v1＝0.15 kg·m/s， 相碰之后p2＝m1v2＋m2v3＝0.15 kg·m/s， 所以碰撞前后系统的总动量守恒。 [答案]　见解析 　如图所示，某同学利用两个半径相同的小球及斜槽验证动量守恒定律实验，把被碰小球M1置于斜槽末端，实验所测得的数据如下： 小球质量/g 小球水平射程/cm M1 M2 OM OP ON 20.9 32.6 12.5 56