第一章 第4节 实验：验证动量守恒定律-【高考领航】2023-2024学年高中物理选择性必修第一册同步核心辅导与测评（教科版）

第4节　实验：验证动量守恒定律 一、实验目的 1．探究在碰撞中动量守恒的基本思路。 2．掌握在同一条直线上两个物体碰撞前后速度的测量方法。 二、实验器材 　铁架台，斜槽轨道，两个大小相等、质量不同的小球，重垂线，复写纸，白纸，天平，刻度尺，圆规，三角板等。 三、实验原理与设计 1．实验的基本思想——转化法：不易测量量转化为易测量量的实验设计思想。 2．实验原理：如图甲所示。让一个质量较大的小球从斜槽上某一高度处由静止滚下，与放在斜槽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作时间单位，那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平速度。因此，只需测出两小球的质量m1、m2和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OM和ON。 3．数据分析：若在实验误差允许的范围内，m1OP＝m1OM＋m2ON，即可验证动量守恒定律。 【思考】 1．在利用斜槽探究动量守恒的实验中，为什么要保证每次入射小球从同一位置由静止释放？斜槽必须光滑吗？ 答案：不论斜槽光滑与否，只要入射小球从同一位置由静止释放，就能保证每次入射小球碰撞前速度相同。 2．怎样才能保证碰撞是在同一条直线上？ 答案：可以利用凹槽限定物体在同一直线上运动，也可以利用长木板限定物体在同一直线上运动，或使两物体重心连线与速度方向共线。 3．怎样判断斜槽末端水平？ 答案：把小球放在斜槽末端任意位置，如果小球能处于静止状态，则斜槽末端水平。 　实验原理和实验操作 　某学习小组用半径相同的小球1和小球2碰撞验证动量守恒定律，实验装置如图所示，斜槽与水平槽平滑连接。安装好实验装置，在水平地面上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸，记下重垂线所指的位置O。接下来的实验步骤如下： 步骤1：不放小球2，让小球1从斜槽上A点由静止滚下，并落在地面上。重复多次，用尽可能小的圆把小球的所有落点圈在里面，认为其圆心就是小球落点的平均位置； 步骤2：把小球2放在斜槽前端边缘处的B点，让小球1从A点由静止滚下，使它们碰撞。重复多次，并使用与步骤1同样的方法分别标出碰撞后两小球落点的平均位置； 步骤3：用刻度尺分别测量三个落地点的平均位置M、P、N离O点的距离，即线段OM、OP、ON的长度。 (1)(多选)在上述实验操作中，下列说法正确的是(　　) A．小球1的质量一定大于小球2的质量，小球1的半径可以大于小球2的半径 B．将小球静止放置在轨道末端看小球是否滚动来检测斜槽轨道末端是否水平 C．小球在斜槽上的释放点应该越高越好，这样碰前的速度大，测量误差较小 D．复写纸铺在白纸的上面，实验过程中复写纸可以随时拿起来看印迹是否清晰并进行移动 (2)设小球1的质量为m1，小球2的质量为m2，MP的长度为l1，ON的长度为l2，则本实验验证动量守恒定律的表达式为______________________________。 【解析】　(1)为了能够对心碰撞，两球的半径必须相同，选项A错误；将小球静止放置在轨道末端，若小球保持静止，说明轨道末端水平，若小球滚动，说明轨道末端不水平，选项B正确；碰前的速度不能过大，否则实验不能正常进行，选项C错误；复写纸可以移动，但是白纸不能移动，选项D正确。 (2)由于小球做平抛运动的时间相同，可以用OP代表小球1碰前的速度，用OM代表小球1碰后的速度，用ON代表小球2碰后的速度。列出的动量守恒方程为m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，整理得m1·(OP－OM)＝m2·ON，即m1·l1＝m2·l2。 【答案】　(1)BD　(2)m1·l1＝m2·l2 [针对训练] 1．某同学用如图甲所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来验证碰撞过程中的动量守恒，图中PQ是斜槽，QR为水平槽。实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下，落到位于水平地面的记录纸上，留下痕迹。重复上述操作10次，得到10个落点痕迹。再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，让A球仍从位置G由静止开始滚下，和B球碰撞后，A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹，重复这种操作10次。图中O点是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点，B球落点痕迹如图乙所示，其中刻度尺水平放置，且平行于G、R、O所在的平面，刻度尺的零点与O点对齐。 甲　　　　　　　　　乙 (1)碰撞后B球的水平射程应取为________cm。 (2)在以下选项中，本次实验必须进行的测量是__________。 A．水平槽上未放B球时，A球落点位置到O点的距离 B．A球与B球碰撞后，A球落点位置到O点的距离 C．A球与B球的质量 D．G点相对于水平槽面的高度 解析：(1)本题