第一章 4 实验 验证动量守恒定律-【导与练】2023-2024学年高中物理选择性必修第一册同步全程学习全书word（新教材，教科版）

4　实验:验证动量守恒定律 一、实验目的 1.验证动量守恒定律。 2.体会将不易测量的物理量转换为易测量的物理量的实验设计思想。 二、实验原理 　在一维碰撞中,测出相碰的两物体的质量m1、m2和碰撞前后物体的速度v1、v2、v1′、v2′,算出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p′=m1v1′+m2v2′,看碰撞前后动量是否相等。 可采用“探究平抛运动的特点”实验中测量平抛初速度的方法,设计实验装置如图甲所示。让球A从同一位置C释放,测出不发生碰撞时球A飞出的水平距离OP,再测出球A、B碰撞后分别飞出的水平距离OM、ON,如图乙所示。只要验证 m1·OP=m1·OM+m2·ON,即可验证动量守恒定律。因小球从斜槽上滚下后做平抛运动,由平抛运动知识可知,只要小球下落的高度相同,在落地前运动的时间就相同,则小球的水平速度若用飞行时间作时间单位,在数值上就等于小球飞出的水平距离,所以只要测出小球的质量及两球碰撞前后飞出的水平距离,代入公式就可验证动量守恒定律。 三、实验器材 　斜槽轨道、半径相等的钢球和玻璃球、白纸、复写纸、小铅锤、天平(附砝码)、毫米刻度尺、圆规。 一、实验操作 1.测质量:用天平测出两小球的质量,并选定质量大的小球为入射小球。 2.安装:按照如图甲所示安装实验装置。调整固定斜槽并使斜槽末端水平。 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.放球找点:不放被碰小球,每次让入射小球从斜槽上某固定高度处静止滚下,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P就是小球落点的平均位置。 5.碰撞找点:把被碰小球放在斜槽末端,每次让入射小球从斜槽同一高度(同步骤4中的高度)由静止滚下,使它们发生正碰,重复实验10次。用步骤4的方法,标出碰后入射小球落点的平均位置M和被碰小球落点的平均位置N。如图乙所示。 6.验证:连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度。把两小球的质量和相应的数值代入m1·OP=m1·OM+m2·ON,看在误差允许的范围内是否成立。 7.整理:将实验器材放回原处。 二、误差分析 1.系统误差:主要来源于装置本身是否符合要求。 (1)碰撞是否为一维。 (2)实验是否满足动量守恒的条件,如两球是否等大。 2.偶然误差:主要来源于质量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的测量。 三、注意事项 1.入射小球质量m1应大于被碰小球质量m2,若入射小球质量小于被碰小球质量,则入射小球会被反弹,滚回斜槽后再返回抛出点过程中克服摩擦力做功,飞出时的速度大小小于碰撞刚结束时的速度大小,会产生较大的误差。 2.斜槽末端的切线必须水平。 3.入射小球与被碰小球的球心连线与入射小球的初速度方向一致。 4.入射小球每次都必须从斜槽上同一位置由静止开始滚下。 5.地面应水平,白纸铺好后实验过程中不能移动,否则会造成很大的误差。 类型一　实验器材及注意事项 [例1] 如图所示为实验室中验证动量守恒定律的实验装置示意图。 (1)若入射小球质量为m1,半径为r1;被碰小球质量为m2,半径为r2,则　　　　。  A.m1>m2,r1>r2 B.m1<m2,r1<r2 C.m1>m2,r1=r2 D.m1<m2,r1=r2 (2)为完成此实验,以下所提供的测量工具中必需的是　　　　。(多选)  A.直尺 B.游标卡尺 C.天平 D.弹簧测力计 E.秒表 (3)设入射小球的质量为m1,被碰小球的质量为m2,P为碰前入射小球落点的平均位置,则关系式(用m1、m2及图中字母表示)　　　　　　　　　　　　　　成立,即表示碰撞中动量守恒。  解析:(1)两小球要选等大的,且入射小球的质量应大些,故选C。 (2)该实验必须测出两球平抛的水平位移和质量,故必须用直尺和天平,因两球平抛起点相同,不用测小球直径,故用不到游标卡尺,故选A、C。 (3)因平抛落地时间相同,可用水平位移代替速度,故关系式为m1·OP=m1·OM+m2·ON。 答案:(1)C　(2)AC (3)m1·OP=m1·OM+m2·ON 类型二　实验步骤及原理 [例2] 某同学设计如图甲所示的装置,通过半径相同的A、B两球的碰撞来探究碰撞过程中的不变量,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,落到位于水平地面上的记录纸上,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。 (1)碰撞后B球