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Word教参（人教版2019）

多学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 4实验：验证动量守恒定律 保程解凌 课标要点 学科素养 链接浙江选考 物理观念：树立动量守恒的思想观 通过实验，探究动量守恒 念。 设计实验验证动 定律 科学探究：用实验验证动量守恒定 量守恒定律 律 教材整体初识构建与探源 知识点探究一维碰撞中的不变量 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？ [思辨喇 1.判断题（正确的打“√”，错误的打“X”) ()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 作一雏碰撞。（√） (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雏碰撞。 (√) (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。（√） 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、 ·独家授权侵权必究 多学科网书城■ 品神书店·知名教辅·正版资源 ■b2XXkc0m○ 您身边的互联网+教辅专家 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。 命题整体感知尝试与研析 类型一 利用气垫导轨实现一维碰撞 实验装置如图所示。 (1)质量的测量：用天平测量。 (2)速度的测量：？=ct,式中△x为滑块上挡光片的宽度，△1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。 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50cm。导轨通气后，调节导 轨水平，使滑块能够做匀速直线运动。 (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。 (4)两滑块相碰后粘在一起向右运动，记录挡光片通过光电门B的时间。 (5)得到验证实验的表达式m1+m22=mlt1。 【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1，则滑块经过光电门A的速度1=！ ,整体经过光电门B的速度2=12，根据动量守恒定律有(m1十m2)2=m11,联立 ·独家授权侵权必究· 多学科网书城■ 品神书店·知名教辅·正版资源 ■b2XXkc0m○ 您身边的互联网+教辅专家 得m1+m2t2=mltl。 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）。 实验步骤如下： (a)用天平分别测出滑块A、B的质量mA、m b)调整气垫导轨，使导轨水平。 (©)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。 (©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的运动时间和2。 (1)实验中还应测量的物理量是滑块B的右端至挡板D的距离L2。 (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mL1山二 msL2t2=0avs4 alcol(或mAfL1L212_,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)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：Ep=12 malaivs4 alcol(fL1tl2+12 nelalvs41 alcol(fL2t22。 【解析】（们）系统在水平方向上动量守恒，即m04一m0a=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4=L1t1,=L22,即有 mL1tl一mL22=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m4L11一msL22=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 独家授权侵权必究 多学科网书城■ 品神书店·知名教辅·正版资源 6.2xXk.c0m● 您身边的互联网+教辅专家 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=I2m42A+12ms2B,即E,=12 nalalvs-4acol0 f(LIt)2+12mB alws4 al col(fL2t2)2。 类型三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。 入射小球 2被撞小球 白纸 复写纸 (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。 (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m1OAM+m2ON=mOP,看在误差允许的范围内是否成立。 ()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。 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。 独家授权侵权必究 多学科网书城四 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 O M P (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 C(填字母)，间接地解决这个问题。 A.小球开始释放的高度 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 (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，分别我到小球的平均落点M、P、N,并测 量出OM、OP、OW的长度。 (3)若两球相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为mOM十m2ON=m OP [用(2)中测量的量表示。 【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0o=OPt,1=OM01,2=OW1。动量守恒定律的表达式是m01十m22=m10o, 即m1OAM+m2ON=mOP。 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： 独家授权侵权必究 多学科网书城四 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 、,复写纸 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从、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大于（填 “大于”“小于”或“等于”) (2)关于上述实验操作，下列说法正确的是B。 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 (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m1OM十m2 OP=m1ON,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 的判斯是否正确。正确，请说明理由：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。 【解析】(1)本实验中要求m>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，)=ON1,h=g22,所以=ONg2h:同理，内=OMg2h, '2=OPg2h)。要验证m11十m22=m11,只需验证m1OM十m2OP=m1ON即可。 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。 独家授权侵权必究 多学科网书城■ 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 撞针橡皮泥A 打点计时器 长木板 纸带 图1 (1)关于橡皮泥在本实验中的作用，下列说法正确的是C 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)关于木实验的操作，下列说法正确的是C。 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，必须再次调整木板颜角 (3)打点计时器每隔0.02s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 L63m/s(结果保留三位有效数字)。 B "x=12.18cmTx-16.26cm Tx3=12.35cmk,10.80c 图2 (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、、、x4,为了验证动量守恒定律，需要验证的表达式 是(m十m2出三m丝（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 因是木板倾角过大（或碰前小车O具有沿轨道向下的速度）（写出一条即可）。 【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 ·独家授权侵权必究 多学科网书城■ 品神书店·知名教辅·正版资源 6.2xXk.c0m● 您身边的互联网+教辅专家 质量再次实验，不需要再次调整木板倾角，故D错误。 (3)测量小车P碰撞前的速度，应该选择BC段求平均速度，则⑦=x21 16260.02×5×102ms≈1.63ms。 (4)x4表示碰撞后二者的运动，根据动量守恒定律有(m1十m2)加'=m0,其中？ =x2t,=x4t,代入可得(m1十m2)x4=mx2。 (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。 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50Hz,得到的纸带如图2所示，己将各计数点之间的距离标在图上。 橡皮泥 小车 小车打点计时器 长木板 纸带 7777777717777777777777777777777777177777777777777777 小木块 图1 D E 11.00 17.12 13.75T11.401cm 图2 (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BC段，计算两车碰撞后的速度大小应选DE段。 (2)若小车1的质量（含橡皮泥）为04kg,小车2的质量为02kg,根据纸带数 据，碰前两小车的总动量是Q685kgms,碰后两小车的总动量是0684kg 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C。 A.实验中小车1必须由静止释放 独家授权侵权必究 多学科网书城四 品神书店·知名教辅·正版资源 6.2xXk.c0m● 您身边的互联网+教辅专家 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 【解析】()碰撞前小车1以某速度俄匀速直线运动，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。 (2)打点计时器的电源频率为50Hz,打点周期为T=1f=150s=0.02s,由纸带 数据，可得两车碰撞前小车1的速度为0=xBC5T=17.12×10-25×0.02m/s=1.712 m/s,碰前两小车的总动量是p1=m01十m22=m1十0=0.4×1.712kgm/s≈0685 kgms,两车碰撞后的共同速度为0=xDE5T=11.40×10-25×0.02ms=1.140ms, 碰后两小车的总动量2=(0m十m)w=(0.4十0.2)×1.140kgms=0.684kgms。 (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。 一本课点睛（教师用书独有） 探究一维碰撞中的不变alvs4 alcol(aws4al(实验alvs4 alcol(与物体运动有 关的物理量可能有哪些？碰撞前后哪些物理量可能不变？如何探究碰撞的各种不 同形式？)需要考虑的问avs4al小co1(怎样保证碰撞是一维的？如何测量质量？如 何测量速度？如何处理数据？) 温馨说明：课后请完成高效作业6 ◆独家授权侵权必究