第1章 4 实验：验证动量守恒定律-【精彩三年】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册课程探究与巩固PPT课件（人教版2019）

4　实验：验证动量守恒定律 第一章　动量守恒定律 目录 CONTENTS 教材整体初识 构建与探源 命题整体感知 尝试与研析 01 02 课标要点 学科素养 链接浙江选考 通过实验，探究动量守恒定律 物理观念：树立动量守恒的思想观念。 科学探究：用实验验证动量守恒定律 设计实验验证动量守恒定律 教材整体初识 构建与探源 01 1．设计思路 (1)与物体运动有关的物理量可能有哪些？ (2)碰撞前后哪些物理量可能不变？ (3)如何研究碰撞的各种不同形式？ 2．实验过程中需要考虑的问题 (1)怎样保证碰撞是一维的？ (2)如何测量物体的质量？ (3)如何测量物体的速度？ (4)如何处理实验数据？ 知识点　探究一维碰撞中的不变量 [思辨] 1．判断题(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这一直线运动，这种碰撞叫作一维碰撞。(　　) (2)可用斜槽、气垫导轨等控制物体的运动，从而保证两个物体做一维碰撞。(　　) (3)两物体发生碰撞前、后，动量一定守恒。(　　) (4)两物体发生碰撞前、后，动能不一定守恒。(　　) 知识点　探究一维碰撞中的不变量 √ √ √ √ 2．思考题：除了利用光电门、打点计时器(配纸带)、闪光照片等手段测量两个物体碰撞前、后的速度外，还可如何比较方便、精确地测量两个物体碰撞前、后的速度？ 答案：可利用匀速运动、平抛运动的规律等间接测量两个物体碰撞前、后的速度。 知识点　探究一维碰撞中的不变量 命题整体感知 尝试与研析 02 类型一　利用气垫导轨实现一维碰撞 实验装置如图所示。 类型一　利用气垫导轨实现一维碰撞 例1 如图所示，用气垫导轨做“验证动量守恒定律”实验，完成下列操作步骤。 (1)调节天平，称出两个碰撞端分别贴有尼龙扣的滑块的质量m1和m2。 (2)安装好光电门A、B，使光电门之间的距离为50 cm。导轨通气后，调节导轨水平，使滑块能够做____________运动。 匀速直线 类型一　利用气垫导轨实现一维碰撞 (3)在碰撞前，将质量为m2的滑块放在两光电门中间，使它静止，将另一质量为m1的滑块放在导轨的左端，向右轻推一下质量为m1的滑块，记录挡光片通过光电门A的时间t1。 (4)两滑块相碰后粘在一起向右运动，记录挡光片通过____________的时间t2。 (5)得到验证实验的表达式_______________。 光电门B 类型一　利用气垫导轨实现一维碰撞 活学活用 气垫导轨是常用的一种实验仪器，它利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上，滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦。我们可以用带竖直挡板C、D的气垫导轨以及滑块A、B来验证动量守恒定律，实验装置如图所示(弹簧的长度忽略不计)。 活学活用 实验步骤如下： (a)用天平分别测出滑块A、B的质量mA、mB。 (b)调整气垫导轨，使导轨水平。 (c)在滑块A、滑块B间放入一个被压缩的轻弹簧，用电动卡销锁定，静止放置在气垫导轨上。 (d)用刻度尺测出滑块A的左端至挡板C的距离L1。 (e)按下电钮放开卡销，同时使分别记录滑块A、B运动时间的计时器开始工作。当滑块A、B分别碰撞挡板C、D时停止计时，计下滑块A、B分别到达挡板C、D的运动时间t1和t2。 活学活用 (1)实验中还应测量的物理量是__________________________________。 (2)利用上述测量的实验数据，验证动量守恒定律的表达式是 _____________________________，由此公式算得的A、B两滑块的动量大小并不完全相等，产生误差的原因是____________________________ ___________________________________。 (3)利用上述实验数据还能测出被压缩弹簧的弹性势能，请写出弹簧弹性 势能的表达式：________________________________。 滑块B的右端至挡板D的距离L2 测量时间、距离等存在误差，阻力、气垫导轨不水平造成误差等 活学活用 类型二　利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律 (1)选定质量大的小球为入射小球，用天平测出入射小球的质量m1和被碰小球的质量m2。 (2)按照下图所示安装实验装置，调整固定斜槽使斜槽末端水平。 (3)白纸在下，复写纸在上，在适当位置铺放好，记下重垂线所指的位置O。 类型二　利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律 (4)不放被碰小球，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)把被碰小球放在斜槽末端，让入射小球从斜槽上同一高度处自由滚下，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和被碰小球落点的平均位置N，如图所示。 类型二　利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律 (7)整理好实验器材放回原处。 (8)实验结论：在实验误差允许的范围内，碰撞系统的动量守恒。 类型二　利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律 例2 如图所示，用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律，即探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______(填字母)，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 C 类型二　利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律 (2)用天平测量两个小球的质量m1、m2。图中O点是小球抛出点在水平地面上的垂直投影。实验时，先让入射小球m1多次从斜轨上S位置由静止释放；然后把被碰小球m2静止置于轨道的水平部分，再将入射小球m1从斜轨上S位置由静止释放，与被碰小球相撞，并多次重复，分别找到小球的平均落点M、P、N，并测量出OM、OP、ON的长度。 (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]。 类型二　利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律 活学活用 一位同学利用下图所示的装置进行“验证动量守恒定律”的实验。他安装好实验装置，斜槽与水平槽之间平滑连接，槽的末端切线水平。在水平地面上依次铺上白纸、复写纸，记下重垂线所指的位置O。选择两个半径相同的小球1、2开始实验，主要实验步骤如下： 活学活用 a. 不放球2，使球1从斜槽上某一固定位置由静止开始滚下，落到复写纸上，在下面的白纸上留下落点痕迹。多次重复上述操作。 b. 把球2放在水平槽末端位置，让球1仍从原位置由静止开始滚下，与球2碰撞后，两球分别在白纸上留下各自的落点痕迹。多次重复上述操作。 c. 在记录纸上确定三个落点的平均位置M、P、N。 (1)在此实验中，球1的质量为m1，球2的质量为m2，需满足m1________(填“大于”“小于”或“等于”)m2。 大于 活学活用 (2)关于上述实验操作，下列说法正确的是______。 A．实验过程中白纸和复写纸可以随时调整位置 B．在同一组实验中，球1每次必须从同一位置由静止释放 C．在同一组实验中，球2的落点并不重合，说明操作中出现了错误 B 活学活用 正确 因为小球从水平槽末端飞出后做平抛运动，下落高度相同，所用时间相同，所以小球的水平位移与从水平槽末端飞出时的速度成正比 活学活用 类型三　利用斜面上滑下的小车验证动量守恒定律 例3 [2023·衢州一中检测] 某小组用图1所示的装置验证动量守恒定律。 (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 C 类型三　利用斜面上滑下的小车验证动量守恒定律 (2)关于本实验的操作，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 C 类型三　利用斜面上滑下的小车验证动量守恒定律 (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2所示，各计数点之间的距离已标在图上。由图中数据可知，小车P碰撞前的速度为____________m/s(结果保留三位有效数字)。 1.63 类型三　利用斜面上滑下的小车验证动量守恒定律 (4)测得小车P的总质量为m1，小车Q的总质量为m2，图2中AB、BC、CD、DE四段长度分别为x1、x2、x3、x4，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)。 (m1＋m2)x4＝m1x2 木板倾角过大(或碰前小车Q具有沿轨道向下的速度) 类型三　利用斜面上滑下的小车验证动量守恒定律 【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，故选C。 (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，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，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。 类型三　利用斜面上滑下的小车验证动量守恒定律 活学活用 [2023·保定一中检测] 某同学借助图1所示装置验证动量守恒定律，长木板的一端垫有小木块，可以微调木板的倾斜程度，以平衡摩擦力，使两个小车均能在木板上做匀速直线运动。小车1前端粘有橡皮泥，后端与穿过打点计时器的纸带相连，接通打点计时器电源后，让小车1以某速度做匀速直线运动，与置于木板上静止的小车2相碰并粘在一起，之后继续做匀速直线运动。打点计时器电源频率为50 Hz，得到的纸带如图2所示，已将各计数点之间的距离标在图上。 图1 图2 活学活用 (1)图2中的数据有AB、BC、CD、DE四段，计算小车1碰撞前的速度大小应选________段，计算两车碰撞后的速度大小应选________段。 (2)若小车1的质量(含橡皮泥)为0.4 kg，小车2的质量为0.2 kg，根据纸带数据，碰前两小车的总动量是______________ kg·m/s，碰后两小车的总动量是______________ kg·m/s。(结果均保留三位有效数字) (3)关于实验的操作与反思，下列说法正确的是______。 A．实验中小车1必须由静止释放 B．若小车1前端没贴橡皮泥，不影响实验验证 C．上述实验中小车1与小车2的机械能不守恒 BC DE 0.685 0.684 C 活学活用 【解析】 (1)碰撞前小车1以某速度做匀速直线运动，由纸带的打点数据可知，BC段是匀速直线运动阶段，因此计算小车1碰撞前的速度大小应选BC段。两车在碰撞中，速度不稳定，两车碰撞后，以共同的速度做匀速直线运动，因此计算两车碰撞后的速度大小应选DE段。 活学活用 活学活用 (3)碰前小车1做匀速直线运动，小车受力平衡，因此实验中小车1要有一定的初速度，不能由静止释放，A错误；若小车1前端没贴橡皮泥，两车碰撞后不能粘在一起，小车2的速度不能测得，因此会影响实验验证，B错误；上述实验中，两小车碰撞后粘在一起，机械能有损失，碰撞中系统机械能不守恒，C正确。 本课点睛(教师用书独有) 课后请完成高效作业6 感谢聆听，再见！ (1)质量的测量：用天平测量。 (2)速度的测量：v＝，式中Δx为滑块上挡光片的宽度，Δt为数字计时器显示的挡光片经过光电门的时间。 (3)各种碰撞情景的实现：利用弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥设计各种类型的碰撞，利用在滑块上加重物的方法改变碰撞物体的质量。 ＝ 【解析】 为了让滑块在水平方向上不受外力，应在导轨通气后，调节导轨水平，使滑块能够做匀速直线运动；本题中利用光电门来测量速度，因此应测量挡光片通过光电门的时间；设挡光片的宽度为l，则滑块经过光电门A的速度v1＝，整体经过光电门B的速度v2＝，根据动量守恒定律有(m1＋m2)v2＝m1v1，联立得＝。 mA－mB＝0 Ep＝mA＋mB 【解析】 (1)系统在水平方向上动量守恒，即mAvA－mBvB＝0；由于系统不受摩擦力，故滑块在水平方向做匀速直线运动，故有vA＝，vB＝，即有mA－mB＝0，所以还要测量的物理量是滑块B的右端至挡板D的距离L2。 (2)由(1)分析可知验证动量守恒定律的表达式是mA－mB＝0，根据表达式可知造成误差的原因有：测量时间、距离等存在误差，阻力、气垫导轨不水平造成误差等。 (3)根据功能关系可知，被压缩弹簧的弹性势能转化为滑块A、B的动能，因此有Ep＝mAv＋mBv，即Ep＝mA＋mB。 (6)连接ON，测量线段OP、OM、ON的长度。将测量数据填入表中，最后代入m1·＋m2·＝m1·，看在误差允许的范围内是否成立。 m1·＋m2· ＝m1· 【解析】 (1)“验证动量守恒定律”实验，即探究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系，直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的，根据平抛运动规律，若落地高度相同，则运动时间相同，因此可以用水平射程大小来体现速度大小，故需要测量水平射程，故A、B错误，C正确。 (3) 根据平抛运动规律可知，落地高度相同，则运动时间相同，设落地时间为t，则v0＝，v1＝，v2＝。动量守恒定律的表达式是m1v1＋m2v2＝m1v0，即m1·＋m2·＝m1·。 (3)某同学认为：在误差允许范围内，若所测物理量满足表达式m1·＋m2·＝m1·，则可判定两个小球所组成的系统碰撞前后动量守恒。你认为该同学的判断是否正确。________，请说明理由：__________________ ______________________________________________________________________________________________________。 【解析】 (1)本实验中要求m1>m2，这样可以防止小球1碰后反弹。 (2)本实验要求两个小球多次碰撞，不能调整白纸和复写纸的位置；同组实验每次都要从同一位置由静止释放小球；此实验小球的落点不一定重合，取平均值即可。 (3)小球做平抛运动，v1＝，h＝，所以v1＝；同理，v′1＝，v′2＝。要验证m1v′1＋m2v′2＝m1v1，只需验证m1·＋m2·＝m1·即可。 (3)测量小车P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)x4表示碰撞后二者的运动，根据动量守恒定律有(m1＋m2)v′＝m1v，其中v＝，v′＝，代入可得(m1＋m2)x4＝m1x2。 (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或者木板倾角过大，导致沿木板向下加速运动。 (2)打点计时器的电源频率为50 Hz，打点周期为T＝＝s＝0.02 s，由纸带数据，可得两车碰撞前小车1的速度为v1＝＝ m/s＝ 1.712 m/s，碰前两小车的总动量是p1＝m1v1＋m2v2＝m1v1＋0＝0.4× 1.712 kg·m/s≈0.685 kg·m/s，两车碰撞后的共同速度为v＝＝ m/s＝1.140 m/s，碰后两小车的总动量p2＝(m1＋m2)v＝(0.4＋0.2)×1.140 kg·m/s＝0.684 kg·m/s。 $$