第一章 4.实验：验证动量守恒定律-【金版新学案】2023-2024学年新教材高二物理选择性必修第一册同步课堂高效讲义教师用书（教科版）

4.实验：验证动量守恒定律 一、实验目的 1．验证碰撞中的动量守恒。 2．知道实验数据的处理方法。 二、实验器材 斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸、直尺等。 三、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，与放在斜槽末端的另一大小相等、质量较小的球发生碰撞，之后两小球都做平抛运动。 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离OM和ON(如图乙所示)。若在实验误差允许的范围内m1·OP与m1·OM＋m2·ON相等，就验证了两个小球碰撞前后的总动量守恒。 四、实验步骤 1．取两个大小相同的小球，测出它们的质量m1、m2。 2．按图1所示安装好实验装置并使斜槽末端水平。 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(如图2所示)，它表示两小球做平抛运动的初始位置的水平投影。 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(如图3所示)。 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，仿照上一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(如图3所示)。 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。 学生用书↓第18页 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。 五、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 测量和读数的准确性带来的误差，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。 六、注意事项 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。 类型一　教材原型实验 一、实验原理与操作 (2022·广东汕头高二期中)如图所示，用“碰撞试验器”可以验证动量守恒定律，即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。 (1)实验中，直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的。但是，可以通过仅测量________(填选项前的序号)，间接地解决这个问题。 A．小球开始释放的高度h B．小球抛出点距地面的高度H C．小球做平抛运动的水平位移 (2)图中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影。实验时，先让入射球m1多次从斜轨上S位置静止释放，找到其平均落地点P，测量小球平抛水平位移OP。然后，把被碰小球m2静置于轨道水平部分，再将入射球m1从斜轨上S位置静止释放，与小球m2相碰，并多次重复。接下来要完成的必要步骤是________。(填选项前的序号) A．用天平测量两个小球的质量m1、m2 B．测量小球m1开始释放的高度h C．测量小球抛出点距地面的高度H D．分别找到m1、m2相碰后平均落地点的位置M、N E．测量小球做平抛运动的水平位移OM、ON (3)若两球相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为___________[用(2)中测量的量表示]； (4)在图中的实验装置中，若斜槽轨道是光滑的，则可以利用一个小球验证小球在斜槽上下滑过程中的机械能守恒。这时需要测量的物理量有：小球释放初位置到斜槽末端的高度差h1，小球从斜槽末端做平抛运动的水平位移s、竖直高度h2，则所需验证的关系式为：___________。 解析：(1)根据平抛运动规律可得x＝vt H＝gt2 联立可得小球做平抛运动的初速度为v＝x 因抛出点到地面的高度H相同，故小球碰撞前后的速度与小球做平抛运动的水平位移x成正比，可以通过仅测量小球做平抛运动的水平位移x间接地解决这个问题，故C正确。 (2)碰撞过程据动量守恒定律可得 m1v0＝m1v1＋m2v2 同时乘以时间t得m1v0t＝m1v1t＋m2v2t 即m1·OP＝m1·OM＋m2·ON 故接下来要完成的必要步骤是，用天平测量两个小球的质量m1、m2，分别找到m1、m2相碰后平均落地点的位置M、N，测量小球做平抛运动的水平位移OM、ON。故选A、D、E。 (3)若两球相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为 m1·OP＝m1·OM＋m2·ON。 (4)