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

第一章 动量守恒定律 1.4实验：验证动量守恒定律 学习目标 1、通过实验操作验证动量守恒定律的正确性，理解其物理意义和适用范围。 2、掌握实验器材的正确使用方法，能够准确测量物体的质量、速度等物理量。 3、学会用实验数据验证动量守恒定律，掌握数据处理方法和误差分析技巧。 实验思路 动量守恒定律的适用条件是系统不受外力，或者所受外力的矢量和为0。我们生活中的物体受到各种力的作用，难以满足这种理想化的条件。但是，在某些情况下，可以近似满足动量守恒的条件。 想一想，满足上述条件的过程有哪些？ 实验思路 我们可以考虑物体发生碰撞的情况。两个物体在发生碰撞时，作用时间很短。根据动量定理，它们的相互作用力很大。如果把这两个物体看作一个系统，那么，虽然系统还受到重力、支持力、摩擦力、空气阻力等外力的作用，但是其中有些力的矢量和为0，有些力与系统内两物体的相互作用力相比很小。因此，可以近似认为碰撞满足动量守恒定律的条件。 实验思路 你也可以考虑其他符合动量守恒条件的情形来验证动量守恒定律。在设计实验时应着重考虑如下问题。 1、实验中哪些物体组成了要研究的系统？ 2、如何创造实验条件，使系统所受外力的矢量和近似 为0？ 3、需要测量哪些物理量？ 物理量的测量 研究对象确定后，还需要明确所需测量的物理量和实验器材。根据动量的定义，很自然地想到，需要测量物体的质量，以及两个物体发生碰撞前后各自的速度。 思考与讨论 物体的质量可用天平直接测量。想一想，有哪些方式可以测量速度？你在设计实验方案时会选择哪种？为什么？ 数据分析 根据选定的实验方案设计实验数据记录表格。选取质量不同的两个物体进行碰撞，测出物体的质量（m1，m2）和碰撞前后的速度（v1，v1 ′，v2，v2 ′），分别计算出两物体碰撞前后的总动量，并检验碰撞前后总动量的关系是否满足动量守恒定律，即 m1 v1 ′＋ m2v2 ′＝ m1v1＋ m2v2 参考案例1 研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 本案例中，我们利用气垫导轨来减小摩擦力，利用数字计时器测量滑块碰撞前后的速度。实验装置如图1.4-1 所示。可以通过在滑块上添加已知质量的物块来改变碰撞物体的质量。 参考案例1 本实验可以研究以下几种情况。 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1.4-2），滑块碰撞后随即分开。 参考案例1 2. 在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥（图1.4-3），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搭扣，碰撞时它们也会连成一体。 参考案例1 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1.4-4）。 参考案例1 实验前请思考： 1. 气垫导轨是否需要调成水平？如果需要，你能想 出哪些办法？ 2. 如果物体碰撞后的速度方向与原来的方向相反，应该怎样记录？ 研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒实验 参考案例2 研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 本案例中，我们研究两个小球在斜槽末端发生碰撞的情况。实验装置如图1.4-5所示。将斜槽固定在铁架台上，使槽的末端水平。让一个质量较大的小球（入射小球）从斜槽上滚下，跟放在斜槽末端的另一个大小相同、质量较小的小球（被碰小球）发生碰撞。 参考案例2 使入射小球从斜槽不同高度处滚下，测出两球的质量以及它们每次碰撞前后的速度，就可以验证动量守恒定律。 小球的质量可以用天平来测量。怎样测量两球碰撞前后瞬间的速度呢？两个小球碰撞前后瞬间的速度方向都是水平的，因此，两球碰撞前后的速度，可以利用平抛运动的知识求出。 参考案例2 在这个实验中也可以不测量速度的具体数值。做平抛运动的小球落到地面，它们的下落高度相同，飞行时间也就相同。因此，小球碰撞后的速度之比就等于它们落地时飞行的水平距离之比。根据这一思路，也可以验证动量守恒定律。 参考案例2 实验前请思考以下问题： 1. 实验装置中的铅垂线起什么作用？ 2. 如何记录并测量小球飞出的水平距离？ 研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒实验 练习与应用 1. 如图1.4-6甲，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，使小车能在木板上做匀速直线运动。小车A前端贴有橡皮泥，后端连一打点计时器纸带，接通打点计时器电源后，让小车A以某速度做匀速直线运动，与置于木板上静止的小车B相碰并粘在一起，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1.4-6乙所示，已将各计数点之间的距离标在图上。 练习与应用 （1）图中的数据有AB、BC、CD、DE四段，计算小车A碰撞前的速度大小应选哪段？计算两车碰撞后的速度大小应选哪段？为什么？ （2）若小车A的质量为0.4 kg，小车B的质量为0.2 kg，根据纸带数据，碰前两小车的总动量是多少？碰后两小车的总动量是多少？ 练习与应用 2. 某同学用图1.4-5所示的实验装置和实验步骤来验证动量守恒定律。小球1的质量为m1，它从斜槽上某点滚下，离开斜槽末端时的速度记为v1（称为第一次操作）；小球2的质量为m2，小球1第二次从斜槽上原位置滚下，跟小球2碰撞后离开斜槽末端的速度分别记为v1 ′和 v2 ′（称为第二次操作）。实验所验证的计算式为 m1v1＝ m1v1 ′＋ m2 v2 ′ 练习与应用 （1）如果第二次操作时，小球1从斜槽上开始滚下时位置比原先低一些，这将会影响计算式中哪个或哪几个物理量？如果其他的操作都正确，实验将会得到怎样的结果？说明道理。 练习与应用 （2）如果在第二次操作时，发现在第一次操作中，槽的末端是不水平的，有些向上倾斜，于是把它调为水平，调整后的斜槽末端离地面高度跟原来相同。然后让小球在斜槽上原标记位置滚下进行第二次操作，分析时仍然和第一次操作的数据进行比较，其他实验操作都正确，且调节斜槽引起小球在空中运动时间的变化可忽略不计。该实验可能会得到怎样的结果？说明道理。 $$