2025届高三物理一轮复习导学案：6.6 实验：验证动量守恒定律

2025届高三物理一轮复习导学案 第6课时 实验：验证动量守恒定律 实验目的：验证动量守恒定律。 实验原理：在一维碰撞中，测出物体的质量m和碰撞前后物体的速度v、v′，找出碰撞前的动量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的动量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前后动量是否守恒。 方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验 【实验器材】 气垫导轨、光电计时器、天平、滑块（两个）、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥、游标卡尺等。 【实验步骤】 1．测质量：用天平测出滑块质量。 2．安装：正确安装好气垫导轨。 3．实验：接通电源，利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度 （①改变滑块的质量；②改变滑块的初速度大小和方向）。 【数据处理】 1．滑块速度的测量：v＝，式中Δx为滑块挡光片的宽度（仪器说明书上给出，也可直接测量），Δt为数字计时器显示的滑块（挡光片）经过光电门的时间。 2．验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。 方案二 利用等长摆球完成一维碰撞实验 【实验器材】 带细线的摆球（两套，等大不等重）、铁架台、天平、量角器、刻度尺、游标卡尺、胶布等。 【实验步骤】 1．测质量和直径：用天平测出小球的质量m1、m2，用游标卡尺测出小球的直径d。 2．安装：把小球用等长悬线悬挂起来，并用刻度尺测量悬线长度l。 3．实验：一个小球静止，拉起另一个小球，放下时它们相碰。 4．测角度：用量角器测量小球被拉起的角度和碰撞后两小球摆起的角度。 5．改变条件重复实验：①改变小球被拉起的角度；②改变摆长。 【数据处理】 1．摆球速度的测量：v＝，式中h为小球释放时（或碰撞后摆起）的高度，h可由摆角和摆长计算出。 2．验证的表达式：m1v1＝m1v1′＋m2v2′。 方案三 利用两辆小车完成一维碰撞实验 【实验器材】 光滑长木板、打点计时器、纸带、小车（两个）、天平、撞针、橡皮泥、刻度尺等。 【实验步骤】 1．测质量：用天平测出两小车的质量。 2．安装：将打点计时器固定在光滑长木板的一端，把纸带穿过打点计时器，连在小车的后面，在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥。 3．实验：小车B静止，接通电源，让小车A运动，碰撞时撞针插入橡皮泥中，两小车连接成一个整体运动。 4．改变条件重复实验：①改变小车A的初速度；②改变两小车的质量。 【数据处理】 1．小车速度的测量：通过纸带上两计数点间的距离及时间，由v＝计算。 2．验证的表达式：m1v1＝（m1＋m2）v2。 方案四 利用斜槽滚球验证动量守恒定律 【实验器材】 斜槽、小球（两个）、天平、复写纸、白纸、圆规、刻度尺等。 【实验步骤】 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：按照如图所示安装实验装置。调整固定斜槽使斜槽底端水平。 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．单球找点：不放被撞小球，每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，重复10次。用圆规画尽量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：把被撞小球放在斜槽末端，每次让入射小球从斜槽同一高度自由滚下，使它们发生碰撞，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和被撞小球落点的平均位置N，如图所示。改变入射小球的释放高度，重复实验。 【数据处理】 1．小球水平射程的测量：连接ON，测量线段OP、OM、ON的长度。 2．验证的表达式：m1·OP＝m1·OM＋m2·ON。 误差分析 1．系统误差：主要来源于实验器材及实验操作等。 （1）碰撞是否为一维。 （2）气垫导轨是否完全水平，摆球受到空气阻力，小车受到长木板的摩擦力，入射小球的释放高度存在差异。 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。 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，给滑块的初速度应沿着导轨的方向。 （2）若利用摆球进行验证，实验前两摆球应刚好接触且球心在同一水平线上，将摆球拉起后，两摆线应在同一竖直面内。 （3）若利用两小车相碰进行验证，要注意平衡摩擦力。 （4）若利用平抛运动规律进行验证，安装实验装置时，应注意调整斜槽，使斜槽末端水平，且选质量较大的小球为入射小球。 方案五 创新领悟 实验目的的创新 1. 利用动量守恒、机械能守恒计算弹丸的发射速度。 2. 减小实验误差的措施，体现了物理知识和物理实验的实用性、创新性和综合性。 实验器材的创新 1. 利用铝质导轨研究完全非弹性碰撞。 2. 利用闪光照相机记录立方体滑块碰撞前后的运动规律，从而确定滑块碰撞前后的速度。 实验过程的创新 1. 用压缩弹簧的方式使两滑块获得速度，可使两滑块的合动量为零。 2. 利用v＝的方式获得滑块弹离时的速度。 3. 根据能量守恒定律测定弹簧的弹性势能。 【例题1】用如图1甲所示的“碰撞实验器”可验证两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量守恒定律。图甲中O点是小球抛出点在水平地面上的垂直投影。实验时，先让质量为m1的小球A多次从斜轨上位置G点由静止释放，找到其落点的平均位置P，测量平抛射程OP。然后把质量为m2的小球B静置于轨道末端的水平部分，再将小球A从斜轨上位置G由静止释放，与小球B碰撞，如此重复多次，M、N为两球碰后的平均落点，重力加速度为g，回答下列问题： 图1 (1)为了保证碰撞时小球A不反弹，两球的质量必须满足m1________m2(填“<”或“>”)，为了保证两小球发生对心正碰，两小球的半径________(填“需相等”或“不需相等”)，本实验________测量平抛运动的高度和时间(填“不需要”或“需要”)。 (2)若两球发生弹性碰撞，其表达式可表示为________________(用OM、OP、ON来表示)。 (3)若实验中得出的落点情况如图乙所示，假设碰撞过程中动量守恒，则入射小球A的质量m1与被碰小球B的质量m2之比为__________。 【变式1】.某小组用如图2所示的装置验证动量守恒定律。 图2 (1)关于橡皮泥在本实验中的作用，下列说法正确的是________。 A.改变小车的质量 B.在两车碰撞时起到缓冲作用，防止撞坏小车 C.若在两个小车的碰撞端分别贴上尼龙搭扣(魔术贴)，可起到相同的作用 (2)关于实验的操作，下列说法正确的是________。 A.实验前应微调木板的倾斜程度，使小车P能静止在木板上 B.接通打点计时器电源后，应将小车P由静止释放 C.与小车P碰撞前，小车Q应静止在木板上的适当位置 D.加砝码以改变小车质量再次实验，必须再次调整木板倾角 (3)打点计时器每隔0.02 s打一次点，实验得到的一条纸带如图3所示，已将各计数点之间的距离标在图上。则小车P碰撞前的速度为________ m/s(计算结果保留3位有效数字)。 图3 (4)测得小车P的总质量为m1，小车Q的总质量为m2，图3中AB、BC、CD、DE四段长度分别为s1、s2、s3、s4，为了验证动量守恒定律，需要验证的表达式是______________(用题中所给物理量符号表示)。 (5)某同学发现系统碰后动量的测量值总是大于碰前动量的测量值，可能的原因是_____________________________________________________(写出一条即可)。 参考答案： 【例题1】　(1)>　需相等　不需要　(2)OP＋OM＝ON(3)4∶1 解析　(1)为了保证碰撞时A不反弹，两球的质量必须满足m1>m2；为了保证两小球发生对心正碰，两小球的半径需相等；由于小球做平抛运动的高度和时间均相等，在验证动量守恒时可消除高度和时间，所以本实验不需要测量平抛运动的高度和时间。 (2)平抛运动水平方向做匀速直线运动，碰前A的速度为v0＝，碰后A球、B球的速度分别为v1＝，v2＝；当动量守恒时有m1v0＝m1v1＋m2v2，整理可得m1OP＝m1OM＋m2ON，若两球发生弹性碰撞，则有m1v0＝m1v1＋m2v2，m1v＝m1v＋m2v，综合可得OP＋OM＝ON。 (3)若A、B在碰撞过程中动量守恒，则有m1OP＝m1OM＋m2ON，可得＝，由题图乙可知OM＝15.5 cm、OP＝25.5 cm、ON＝40.0 cm，则有m1∶m2＝4∶1。 【变式1】(1)C　(2)C　(3)1.63　(4)m1s2＝(m1＋m2)s4 (5)木板倾角过大(碰前小车Q具有沿轨道向下的速度) 解析　(1)在碰撞过程中，橡皮泥在本实验中的作用是使碰撞后两车粘连在一起，故C正确。 (2)实验前应微调木板的倾斜程度，使小车P能在木板上做匀速直线运动，平衡摩擦力，故A错误；接通打点计时器电源后，小车P匀速运动，故释放时需有一定的初速度，故B错误；与小车P碰撞前，小车Q应静止在木板上，保证碰撞前速度为0，且位置要适当，保证可以测量出小车P的碰前速度和小车P、Q粘连后的速度，故C正确；加砝码以改变小车质量再次实验，不需要再次调整木板倾角，故D错误。 (3)碰撞前的速度应该选择BC段求平均速度，则 v＝＝×10－2 m/s≈1.63 m/s。 (4)s4为碰撞后二者一起运动的距离，则根据动量守恒定律可得 m1v＝(m1＋m2)v′，v＝，v′＝ 联立解得m1s2＝(m1＋m2)s4。 (5)若系统碰后动量的测量值总是大于碰前动量的测量值，则说明碰撞前Q不是处于静止状态，故碰前小车Q具有沿轨道向下的速度。 学科网（北京）股份有限公司 $$