第7章 实验八 验证动量守恒定律-【优化探究】2025年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（教科版2019）

实验八　验证动量守恒定律 第七章　动量守恒定律 实验技能 自主学习 实验要点 互动探究 达标检测 巩固提高 命题点一　教材原型实验 命题点二　实验创新设计 内容索引 实验技能 自主学习 一 3 1．实验目的 (1)掌握动量守恒的条件。 (2)验证碰撞中的动量守恒。 3．实验器材 斜槽、小球(两个)、天平、重垂线、复写纸、白纸、刻度尺等。 4．实验操作 (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(图2)，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(图3)。 (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，依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(图3)。 (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。 二 实验要点 互动探究 11 命题点一　教材原型实验 角度1　实验原理与操作 [典例1]　某同学用如图所示“碰撞实验器”验证动量守恒定律，即研究两个小球在轨道水平部分发生碰撞前后的动量关系。(设两个小球为弹性材料，发生弹性碰撞) 先用天平测出弹性小球1、2的质量分别为m1、m2，然后完成以下实验步骤： 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1的所有落点圈在里面，其圆心就是小球1落点的平均位置； 步骤2：把小球2放在斜槽末端边缘位置B，让小球1从A点由静止滚下，小球1和小球2发生碰撞后落在地面上，重复多次实验，用同步骤1同样的方法分别标出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位置M、P、N离O点的距离，得到线段OM、OP、ON的长度分别为x1、x2、x3。 (1)对于上述实验操作，小球1的质量应_____(选填“大于”或“小于”)小球2的质量。 (1)为了保证小球1与小球2碰撞后不被反弹，小球1的质量应大于小球2的质量。 大于 (2)当所测物理量满足表达式__________________(用所测物理量的字母表示)时，即说明两球碰撞遵循动量守恒定律。 (2)因为小球做平抛运动的时间相等，则水平位移可以代表小球的平抛速度，OP是小球1不与小球2碰撞时平抛运动的位移，该位移可以代表小球1碰撞前的速度，OM是小球1碰撞后平抛运动的位移，该位移可以代表碰撞后小球1的速度，ON是碰撞后小球2的水平位移，该位移可以代表碰撞后小球2的速度，当所测物理量满足表达式m1·x2＝m1·x1＋m2·x3，即可说明两球碰撞遵循动量守恒定律。 m1·x2＝m1·x1＋m2·x3 角度2　数据处理与分析 [典例2]　如图甲所示，用“碰撞实验器”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。 14 2.9 1(1～1.01均可) (2)有同学认为，在上述实验中仅更换两个小球的材质，其他条件不变，可以使被碰小球做平抛运动的射程增大。请你用(1)中已知的数据，分析和计算出被碰小球平抛运动射程ON的最大值为________ cm。 76.8 命题点二　实验创新设计 角度1　实验器材创新 [典例3]　某同学设计了一个如图所示的实验装置验证动量守恒定律。小球A底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条，用悬线悬挂在O点，光电门固定在O点正下方铁架台的托杆上，小球B放在竖直支撑杆上，杆下方悬挂一重锤，用天平测出小球A(包含遮光条)和B的质量分别为mA、mB，拉起小球A一定角度后释放，两小球碰撞前瞬间，遮光条刚好通过光电门，碰后小球B做平抛运动而落地，小球A反弹向右摆起一定角度，计时器 的两次示数分别为t1、t2，测量O点到球心的距离为L， 小球B离地面的高度为h，小球B平抛的水平位移为x。 (1)关于实验过程中的注意事项，下列说法正确的是________。 A．要使小球A和小球B发生对心碰撞 B．小球A的质量要大于小球B的质量 C．应使小球A由静止释放 A (1)实验时要使小球A和小球B发生对心碰撞，故A正确；碰撞后入射球反弹，则要求入射球的质量小于被碰球的质量，故B错误；由于碰撞前后A的速度由光电门测出，则A释放时不一定从静止开始，故C错误。 (2)某次测量实验中，该同学测量数据如下：d＝0.5 cm，L＝0.5 m，h＝0.45 m，x＝0.30 m，t1＝0.002 5 s，t2＝0.005 0 s，重力加速度g取10 m/s2。若小球A(包含遮光条)与小球B的质量之比为mA∶mB＝________，则动量守恒定律得到验证，根据数据可以得知小球A和小球B发生的碰撞是________(选填“弹性”或“非弹性”)碰撞。 1∶3 弹性 角度2　实验目的创新 [典例4]　(2022·全国甲卷)利用图示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为m1的滑块A与质量为m2的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞，碰撞时间极短，比较碰撞后A和B的速度大小v1和v2，进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞。完成下列填空。 (1)调节导轨水平。 (2)测得两滑块的质量分别为0.510 kg和0.304 kg。要使碰撞后两滑块运动方向相反，应选取质量为______kg的滑块作为A。 (2)在一动一静的弹性碰撞中，质量小的滑块碰撞质量大的滑块才能反弹，故应选质量为0.304 kg的滑块作为A。 0.304 (3)调节B的位置，使得A与B接触时，A的左端到左边挡板的距离s1与B的右端到右边挡板的距离s2相等。 (4)使A以一定的初速度沿气垫导轨运动，并与B碰撞，分别用传感器记录A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间t1和t2。 (5)将B放回到碰撞前的位置，改变A的初速度大小，重复步骤(4)。多次测量的结果如表所示。 (6)表中的k2＝________(保留两位有效数字)。 0.31 0.32 0.34 角度3　实验设计创新 [典例5]　(2024·四川成都期中诊断)为了验证“两小球碰撞过程中的动量守恒”，某同学用如图所示的装置进行了如下的操作： ①将斜槽轨道的末端调整水平，在一块平木板表面先后钉上白纸和复写纸，并将该木板竖直立于靠近槽口处，使小球a从斜槽轨道上某固定点由静止释放，撞到木板并在白纸上留下痕迹O； ②将木板向右平移适当的距离后固定，再使小球a从原固定点由静止释放，撞到木板并在白纸上留下痕迹P； ③把小球b静止放在斜槽轨道的水平段的右端，让小球a仍从原固定点由静止释放，和小球b相碰后，两小球撞到木板并在白纸上留下痕迹M和N； ④用天平测出a、b两个小球的质量分别为ma和mb，用刻度尺测量白纸上O点到M、P、N三点的距离分别为yM、yP和yN。 根据上述实验，请回答下列问题。 (1)实验中应使ma________(选填“大于”“等于”或“小于”)mb。 (1)为防止a、b球碰撞后a球反弹，小球a的质量一定要大于小球b的质量。 大于 (2)实验过程中________(选填“需要”或“不需要”)测量小球做平抛运动的时间。 不需要 (3)小球a下滑过程中与斜槽轨道间存在摩擦力，这对实验结论________(选填“会”或“不会”)产生影响。 (3)小球a下滑过程中与斜槽轨道间存在摩擦力，只要前后两次释放位置相同就能保证碰撞前速度相同，这对实验结论不会产生影响。 不会 (4)小球a和b发生碰撞后，小球b在图中白纸上撞击痕迹应是 ___________点。 (5)若满足表达式____________________(用ma、mb、yM、yP、yN表示)， 则说明两小球碰撞前后动量守恒；若同时满足表达式______________ (用yM、yP、yN表示)，则说明两小球碰撞为弹性碰撞。 三 达标检测 巩固提高 2 3 4 1 1．在实验室里为了验证动量守恒定律，一般采用如图甲、乙所示的两种装置。 2 3 4 1 (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 (1)为防止反弹造成入射小球返回斜槽，要求入射小球质量大于被碰小球质量，即m1>m2；为使入射小球与被碰小球发生对心碰撞，要求两小球半径相同，故C正确。 C 2 3 4 1 (2)若采用图乙所示装置进行实验，以下所提供的测量工具中一定需要的是________。 A．直尺 B．游标卡尺 C．天平 D．弹簧测力计 E．秒表 AC 2 3 4 1 (2)设入射小球为a，被碰小球为b，a球碰前的速度为v1，a、b相碰后的速度分别为v1′、v2′。由于两球都从同一高度做平抛运动，当以运动时间为一个计时单位时，可以用它们平抛的水平位移表示碰撞前后的速度。因此，需验证的动量守恒关系m1v1＝m1v1′＋m2v2′可表示为m1x1＝m1x1′＋m2x2′。所以需要直尺、天平，而不需要弹簧测力计、秒表。由于题中两个小球都可认为是从槽口开始做平抛运动的，两球的半径不必测量，故不需要游标卡尺。 2 3 4 1 (3)设入射小球的质量为m1，被碰小球的质量为m2，则在用图甲所示装置进行实验时(P为碰前入射小球落点的平均位置)，所得“验证动量守恒定律”的关系式为________________________(用装置图中的字母表示)。 (3)得出验证动量守恒定律的关系式应为 m1·OP＝m1·OM＋m2·O′N。 m1·OP＝m1·OM＋m2·O′N 2 3 4 1 2．(2023·辽宁卷)某同学为了验证对心碰撞过程中的动量守恒定律，设计了如下实验：用纸板搭建如图所示的滑道，使硬币可以平滑地从斜面滑到水平面上，其中OA为水平段。选择相同材质的一元硬币和一角硬币进行实验。 2 3 4 1 测量硬币的质量，得到一元和一角硬币的质量分别为m1和m2(m1>m2)。将硬币甲放置在斜面上某一位置，标记此位置为B。由静止释放甲，当甲停在水平面上某处时，测量甲从O点到停止处的滑行距离OP。将硬币乙放置在O处，左侧与O点重合，将甲放置于B点由静止释放。当两枚硬币发生碰撞后，分别测量甲、乙从O点到停止处的滑行距离OM和ON。保持释放位置不变，重复实验若干次，得到OP、OM、ON的平均值分别为s0、s1、s2。 2 3 4 1 (1)在本实验中，甲选用的是________(选填“一元”或“一角”)硬币。 (1)用质量较大的一元硬币去碰撞质量较小的一角硬币，确保碰撞后甲的运动方向不变。 一元 2 3 4 1 (2)碰撞前，甲到O点时速度的大小可表示为________(设硬币与纸板间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g)。 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 (4)由于存在某种系统或偶然误差，计算得到碰撞前后甲动量变化量大小与乙动量变化量大小的比值不是1，写出一条产生这种误差可能的原因：________________________________。 答案：(4)见解析 (4)①非理想的“对心”碰撞造成系统误差；②位移或质量的测量造成偶然误差；③两硬币实际与纸板间的动摩擦因数不同造成系统误差。其他符合题意的原因均可得分。 2 3 4 1 3．某物理兴趣小组用如图甲所示装置验证A、B两小球碰撞过程中动量守恒，且为弹性碰撞，已知A、B两球的质量分别为m1和m2(m1<m2)。 2 3 4 1 (1)将可认为光滑的斜槽、水平槽平滑连接，按图甲安装好实验装置，在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸，记下铅垂线在水平面上的投影O。 (2)不放小球B，小球A从斜槽上挡板处由静止释放，并落在水平地面上。重复多次，记下落点的平均位置____________(选填“M”“P”或“N”)，用刻度尺测量，如图乙所示，刻度尺读数为________ cm。 N 8.75 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 (3)小球B静置在斜槽前端边缘处，小球A从挡板处由静止释放，重复实验，标记小球A和B落地点的平均位置。 (4)若A、B两小球碰撞过程中动量守恒，且为弹性碰撞，则需满足的表达式为________________(用OM、OP、ON表示)。 ON＝OM＋OP 2 3 4 1 (4)由上述分析可知，若A、B两小球碰撞过程中动量守恒，且为弹性碰撞，则有 v2－v1＝v0 由于v1为负值，则有 OM＋OP＝ON。 2 3 4 1 4．(2023·云南玉溪检测)实验小组利用如图甲所示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为mA的滑块A与质量为mB的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞，碰撞时间极短。研究碰撞前后的速度，进而分析碰撞过程的规律。部分实验步骤如下： 2 3 4 1 ①分别测量滑块A、B的质量(包含遮光条)mA、mB，遮光条的宽度d； ②按图甲安装实验装置，调节导轨水平； ③给滑块A一个向右的瞬时冲量，滑块A通过光电门1时，光电计时器显示遮光时间为Δt1，滑块A与静止的滑块B碰撞后，滑块B向右运动通过光电门2时，光电计时器显示遮光时间为Δt2，A向左弹回后，再次通过光电门1，光电计时器显示遮光时间为Δt3。 2 3 4 1 实验数据记录如表： 据此回答下列问题。 mA mB d Δt1 Δt2 Δt3 100 g 300 g   2.50 ms 5.00 ms 5.10 ms 2 3 4 1 (1)遮光条的宽度如图乙所示，则表中d＝__________ 。 (1)游标卡尺的读数为d＝10 mm＋0×0.05 mm＝10.00 mm。 10.00 mm 2 3 4 1 (2)滑块A第一次通过光电门1时的速度大小v10＝__________ m/s。碰撞前后滑块A的动量变化量大小为__________ kg·m/s，若滑块A减少的动量等于滑块B增加的动量，即可验证滑块A、B组成的系统在碰撞过程中动量守恒。(计算结果均保留三位有效数字) 4.00 0.596 2 3 4 1 2 3 4 1 1.0 0.99 2 3 4 1 $$