1.4实验：验证动量守恒定律 课件-2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

1.4 验证动量守恒定律 L 实验器材：气垫导轨、光电计时器、天平、滑块（两个）、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。 参考案例1 研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 光电门1 挡光条 光电门2 实验情景设置 情景1. 选取两个质量不同的滑块，在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架（图1），滑块碰撞后随即分开。 情景2. 在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥（图2），碰撞时撞针插入橡皮泥中，使两个滑块连成一体运动。如果在两个滑块的碰撞端分别贴上尼龙拉扣，碰撞时它们也会连成一体。 情景3.原来连在一起的两个物体，由于相互之间具有排斥的力而分开，这也可视为一种碰撞。这种情况可以通过下面的方式实现。在两个滑块间放置轻质弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，并用一根细线将两个滑块固定。烧断细线，弹簧弹开后落下，两个滑块由静止向相反方向运动（图3）。 mA＞mB， 运动滑块A撞击静止滑块B。 两静止滑块被弹簧弹开，一个向左，一个向右 运动滑块A撞击静止滑块B，撞后两者粘在一起。 mAv1=mA·v2+mBv3 mAv=(mA+mB)v共 0=mAvA-mBvB 实验数据分析 参考案例 2 研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 注意：mA > mB，以免碰撞后小球反弹。 物理量的测量 (1)质量的测量：用天平测量两小球的质量mA、mB。 (2)速度的测量：两球碰撞前后的速度，可以利用平抛运动的知识求出。 实验步骤 (1)不放被碰小球，让入射小球m1从斜槽上某一位置由静止滚下，记录平抛的落点P及水平位移OP。 (2)在斜槽水平末端放上被碰小球m2，让m1从斜槽同一位置由静止滚下，记下两小球离开斜槽做平抛运动的落点M、N及水平位移OM、ON。 P M N O m1 m2 为了减小误差，需要让入射小球从同一高度多次滚下，进行多次实验，然后用圆规画尽量小的圆把小球所有的落点都圈在里面，其圆心即为小球落点的平均位置。 数据分析 由OP＝v1t，OM＝v1′t，ON＝v2′t， 得v1＝ v1′＝ v2′＝ 只需验证 m1·OP＝m1·OM＋m2·ON 是否成立就可以验证动量守恒定律是否成立。 本实验设计思想巧妙之处在于用长度测量代替速度测量。 P M N O m1 m2 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)入射球的质量m1大于被碰球的质量m2。 (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。 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，如气垫导轨是否水平，用长木板实验时是否平衡掉摩擦力，两球是否等大等。 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。 【例1】 某同学设计了一个用打点计时器探究碰撞中的不变量的实验：在小车A的前端粘有橡皮泥，在小车A后连着纸带，推动小车A使之做匀速运动，然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续做匀速运动，具体装置如图甲。 (1)长木板右端下面垫放一小木块的目的是___________。  (2)若已获得的打点纸带如图乙，A为运动的起点，各计数点间距分别记为lAB、lBC、lCD和lDE，用天平测得A、B两车的质量分别为mA、mB，则需验证的表达式为___________ 。  答案:(1)平衡摩擦力　(2)mA·lBC=(mA+mB)·lDE 学以致用 1.下图为验证动量守恒定律的实验装置，气垫导轨置于水平桌面上，G1和G2为两个光电门，A、B均为弹性滑块，质量分别为mA、mB，且mA大于mB，两遮光片沿运动方向的宽度均为d，实验过程如下:①调节气垫导轨成水平状态; ②轻推滑块A，测得A通过光电门G1的遮光时间为t1; ③A与B相碰后，B和A先后经过光电门G2的遮光时间分别为t2和t3。回答下列问题。 (1)实验中选择mA大于mB的目的是　　　　　　　　　。  (2)利用所测物理量的符号表示动量守恒定律成立的式子为　　　　　　　　　　。  答案:(1)保证碰撞中滑块A不反弹 【例2】 某同学用图甲装置通过大小相同的A、B两小球的碰撞来验证动量守恒定律。图中PQ是斜槽，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球放在水平槽末端，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。 甲 乙 (1)安装器材时要注意，固定在桌边上的斜槽末端的切线要沿　　　　方向。  (2)小球A的质量m1与小球B的质量m2应满足的关系是m1　　　　(选填 “>” “<” 或 “=”)m2。  (3)某次实验中，得出小球的落点情况如图乙(单位:cm)，H、M、N分别是入射小球在碰前、碰后和被碰小球在碰后落点的平均位置(把落点圈在内的最小圆的圆心)。若本次实验的数据很好地验证了动量守恒定律，则入射小球和被碰小球的质量之比m1∶m2=　　　　。  甲 乙 答案:(1) 水平　(2) >　(3) 4∶1 学以致用 2.某同学设计了如图甲装置，通过半径相同的A、B两球的碰撞来研究碰撞过程中的动量守恒，图中PQ是斜槽，QR为水平槽，A球的质量大于B球的质量，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，落在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，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。 (1)碰撞后B球的水平射程是　　　　 cm。  (2)在以下的选项中，本次实验必须进行的测量是　　　　。  A. 水平槽上未放B球时，A球落点位置到O点的距离 B. A球与B球碰撞后，A球落点位置到O点的距离 C. A、B两球的质量 D. G点相对于水平槽面的高度 答案:(1)64.5(64.2~64.8均可)　(2)ABC 【例3】某同学设计了一个验证动量守恒定律的实验装置，如图甲。先把白纸和复写纸附在墙上，然后把桌子紧贴墙壁，在水平桌面上放置一个斜面，每次让钢球a从斜面上同一位置滚下，滚过桌边后钢球a与墙碰撞，在纸上留下痕迹(设为O点)。再把桌子搬到离开墙一定距离处，使钢球a仍从原位置由静止滚下，从桌面滚下的钢球a能打在墙上，记录钢球a的落点。重复上述操作10次，得到落点痕迹(设为P点)。再把钢球b放在桌子的边沿，让钢球a仍从原位置由静止滚下，和钢球b碰撞后，a、b两球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹，重复操作10次，钢球a的落点痕迹为N点，钢球b的落点痕迹为M点，如图乙。 (1)对本实验，下列说法正确的是(　　) A. 实验过程中实验桌、斜面和记录用的白纸位置若发生移动不会影响实验结果 B. 入射球每次从斜面同一位置无初速度释放 C. 桌面必须光滑且水平 D. 入射球与被碰球满足ma>mb，ra=rb (2)本实验需要验证的关系是　　　　(用题中字母表示)。  实验创新的角度 3.某小组利用如图的实验装置验证动量守恒定律，步骤如下: (1)用游标卡尺测小钢球A、B的直径均为d，用天平测小钢球A、B的质量分别为m1、m2; (2)用两条细线将小A、B悬挂于同一水平高度，两球恰好相切，球心位于同一水平线上; (3)将小钢球A向左拉起使其悬线与竖直方向的夹角为α时，由静止释放。与小钢球B碰撞后，测得小钢球A向左摆到最高点时，悬线与竖直方向的夹角为θ1，小钢球B向右摆到最高点时，其悬线与竖直方向的夹角为θ2。回答: ①为保证小钢球A碰撞后向左摆动，则A、B两球质量应满足m1　　(选填“>”“<”或“=”)m2;  ②若两球碰撞前后动量守恒，则其表达式为_________(用所测量的物理量表示)。  (2)mA=mA+mB 答案:(1)BD　(2) 答案:(3)①<　②m1()=m2 $$