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（人教版）

第4节　实验：验证动量守恒定律 [学习目标要求]　1.通过研究气垫导轨上滑块的碰撞，验证动量守恒定律。2.通过研究斜槽末端小球的碰撞，验证动量守恒定律。3.通过验证动量守恒定律的实验，培养学生动手操作与实验创新的能力。 一、实验原理及思路 1．让两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这条直线运动，创造条件，使系统所受外力的矢量和近似为0，满足动量守恒的条件。 2．需要测量物体的质量，以及两个物体发生碰撞前后各自的速度。物体的质量可用天平直接测量。 3．选取质量不同的两个物体进行碰撞，测出物体的质量(m1，m2)和碰撞前后的速度(v1，v1′，v2，v2′)，若满足m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′，则验证了碰撞前后总动量守恒。 二、参考案例 方案(一)：用气垫导轨完成两个滑块的一维碰撞 1．实验器材：气垫导轨、光电计时器、滑块(带挡光片)两个、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥、天平。 2．实验操作 安装：按照图中所示安装实验装置。 (1)质量的测量：用天平测量质量。 (2)速度的测量：利用公式v＝计算，式中Δx为挡光片的宽度，Δt为计时器显示的挡光片经过光电门所对应的时间。 (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用细线将弹簧片压缩，放置于两个滑块之间，并使它们静止，然后烧断细线，弹簧片弹开后落下，两个滑块随即向相反方向运动(如图甲所示)。 ②在两滑块相碰的端面上装上弹性碰撞架(如图乙所示)，可以得到能量损失很小的碰撞。 ③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(如图丙所示)，这样可以得到能量损失很大的碰撞。 3．数据处理 (1)为了探究碰撞中的不变量，将实验中测得的物理量填入如下表格。 碰撞前 碰撞后 质量 m1 m2 m1 m2 速度 v1 v2 v1′ v2′ mv m1v1＋m2v2 m1v1′＋m2v2′ mv2 m1v＋m2v m1v1′2＋m2v2′2 ＋ ＋ (2)验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。 方案(二)：研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 1．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。 2．实验步骤 如图所示，让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来，与放在斜槽末端的另一质量较小的球发生碰撞，之后两小球都做平抛运动。 (1)测质量：用天平测出两小球的质量m1、m2。 (2)安装：按照图中所示安装实验装置。 (3)铺纸：白纸在下，复写纸在上，且在适当位置铺放好。记下重垂线所指的位置O。 (4)不碰印点：不放被撞小球B，每次让入射小球A从斜槽上滚下，碰到地面时在白纸上印上位置，重复10次。 (5)碰撞印点：把被撞小球B放在斜槽末端，让入射小球A从斜槽上滚下，使它们发生碰撞，两个小球碰到地面时在白纸上印上位置，重复实验10次。 (6)重复：①改变两个小球的质量②改变两个小球的释放的位置，重复第(3)、(4)、(5)个步骤。 三、误差分析 1．系统误差 (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(例如摩擦力)的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速度。 2．偶然误差：是测量和读数的不准确带来的误差。实验中应规范测量和读数，同时增加测量次数，取平均值，尽量减少偶然误差的影响。 四、注意事项 1．前提条件：碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。 2．方案提醒 (1)若利用气垫导轨进行验证，调整气垫导轨时，应注意利用水平仪确保导轨水平。 (2)若利用平抛运动规律进行验证： 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。 考查热点一　实验原理与操作 　某同学设计如图甲所示的装置，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，其中米尺水平放置，且平行于G、R、O所在的平面，米尺的零点与O点对齐。 甲　　　　　　　　　乙 (1)碰撞后B球的水平射程是________