内容正文:
假期必刷10 实验:验证动量守恒定律
1.无论采用哪一种实验方案进行验证,都要弄清
楚实验的原理是什么,需要测量哪些物理量.
2.熟悉常用的速度的测量方法:打点纸带、光
电门、速度传感器、位移替代法等.
1.某实验小组采用如图所示的实验装置做“验
证动量守恒定律”实验.在水平桌面上放置
气垫导轨,导轨上安装光电计时器1和光电
计时器2,带有遮光片的滑块A、B 的质量分
别为mA、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,测得滑块A 通过
光电计时器1的遮光时间为t1;③滑块A 与
滑块B 相碰后,滑块B 和滑块A 先后经过
光电计时器2的遮光时间分别为t2 和t3.
(1)实验中为确保两滑块碰撞后滑块A 不
反向运动,则 mA、mB 应满足的关系为mA
(填“大于”“等于”或“小于”)mB.
(2)碰前滑块A 的速度大小为 .
(3)利用题中所给物理量的符号表示动量守
恒定律成立的式子为
.
2.某同学用如图甲所示装置通过半径相同的
A、B 两球的碰撞来验证动量守恒定律.图
中PQ 是斜槽,QR 为水平槽.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.如
图中O点是水平槽末端R 在记录纸上的垂
直投影点.B 球落点痕迹如图乙所示,其中
米尺水平放置,且平行于G、R、O 所在的平
面,米尺的零刻度线与O点对齐.
(1)碰撞后B球的水平射程应取为 cm.
(2)在以下选项中,哪些是本次实验必须进
行的测量? 答: (填选项前序号).
A.水平槽上未放B球时,测量 A 球落点位
置到O点的距离
B.A球与B球碰撞后,测量 A 球及B球落
点位置到O点的距离
C.测量 A球或B球的直径
D.测量 A 球和 B 球的质量(或两球质量
之比)
E.测量G点相对于水平槽面的高度
3.在“验证动量守恒定律”的实
验中:采用如图甲所示的实验
装置进行实验.则:
(1)A球碰前做平抛运动的水
平位移是图中的OP,A、B球相碰后,A 球
做平抛运动的水平位移是图中的 ,
B球做平抛运动的水平位移是图中的
.(均选填“OM”“OP”或“ON”)
(2)A球下滑过程中与斜槽轨道间存在摩擦
力,这对实验结果 (选填“会”或“不
会”)产生误差.
(3)A球为入射小球,B球为被碰小球,以下
各项正确的是 .
A.入射小球 A的质量可以小于被碰小球B
的质量
B.实验时需要测量斜槽末端到水平地面的高度
C.入射小球每次不必从斜槽上的同一位置
由静止释放
D.斜槽末端的切线必须水平
(4)用天平测量 A、B两小球的质量分别为
mA、mB,用刻度尺测量白纸O 点到M、P、N
三点的距离分别为x1、x2 和x3.
用(4)所测得的物理量来验证A、B两个小球碰
撞过程中动量守恒,其表达式为 .
91
4.某同学设计了如图装
置来验证碰撞过程遵
循动量守恒.在离地面
高度为h 的光滑水平
桌面上,放置两个小球
a和b.其中,b与轻弹簧紧挨着但不拴接,
弹簧左侧固定,自由长度时离桌面右边缘足
够远,起初弹簧被压缩一定长度并锁定.a
放置于桌面边缘,球心在地面上的投影点为
O点.实验时,先将a球移开,弹簧解除锁
定,b沿桌面运动后水平飞出.再将a放置
于桌面边缘,弹簧重新锁定.解除锁定后,b
球与a球发生碰撞后,均向前水平飞出.重
复实验10次.实验中,小球落点记为 A、
B、C.
(1)若a球质量为ma,半径为ra;b球质量为
mb,半径为rb.b球与a球发生碰撞后,均向
前水平飞出,则 .
A.ma<mb,ra=rb B.ma<mb,ra<rb
C.ma>mb,ra=rb D.ma>mb,ra>rb
(2)为了验证动量守恒,本实验中必须测量
的物理量有 .
A.小球a的质量ma 和小球b的质量mb
B.小球飞出的水平距离OA、OB、OC
C.桌面离地面的高度h
D.小球飞行的时间
(3)在实验误差允许的范围内,当所测物理
量满足表达式:
,
即说明碰撞过程遵循动量守恒.(用题中已
测量的物理量表示)
(4)该同学还想探究弹簧锁定时具有的弹性
势能,他测量了桌面离地面的高度h,该地
的重力加速度为g,则弹簧锁定时具有的弹
性势能Ep 为 .(用题中已测量的
物理量表示)
5.(2024北京卷)如图甲所示,让两个小球在
斜槽末端碰撞来验证动量守恒定律.
(1)关于本实验,下列做法正确的是
(填选项前的字母).
A.实验前,调节装置,使斜槽末端水平
B.选用两个半径不同的小球进行实验
C.用质量大的小球碰撞质量小的小球
(2)图甲中O 点是小球抛出点在地面上的
垂直投影,首先,将质量为m1 的小球从斜槽
上的S 位置由静止释放,小球落到复写纸
上,重复多次.然后,把质量为m2 的被碰小
球置于斜槽末端,再将质量为m1 的小球从
S位置由静止释放,两球相碰,重复多次.分
别确定平均落点,记为 M、N 和P(P 为m1
单独滑落时的平均落点).
乙
a.图乙为实验的落点记录,简要说明如何确
定平均落点 ;
b.分别测出O 点到平均落点的距离,记为
OP、OM 和ON.在误差允许范围内,若关
系式 成立,即可验证碰撞前后动
量守恒.
(3)受上述实验的启发,某同学设计了另一
种验证动量守恒定律的实验方案.如图丙所
示,用两根不可伸长的等长轻绳将两个半径
相同、质量不等的匀质小球悬挂于等高的O
点和O′点,两点间距等于小球的直径.将质
量较小的小球1向左拉起至A 点由静止释
放,在最低点B 与静止于C 点的小球2发
生正碰.碰后小球1向左反弹至最高点A′,
小球2向右摆动至最高点D.测得小球1,2
的质量分别为m 和M,弦长AB=l1、A′B=
l2、CD=l3.
丙
推导说明,m、M、l1、l2、l3 满足 关系
即可验证碰撞前后动量守恒.
02
碰后运动过程中,系统机械能守恒,有
Ep=
1
2
(mB+mC)v
2
C+
1
2mAv
2
0-
1
2
(mA+mB+mC)v
2,
代入数据解得Ep=4J.
答案:(1)2m/s (2)4J
6.解:(1)对物块 A,由平抛运动知识得h=12gt
2,xA=vAt,代
入数据解得,脱离弹簧时 A的速度大小为vA=1m/s,对 A、
B物块整体由动量守恒定律 mAvA=mBvB,解得脱离弹簧时
B的速度大小为vB=1m/s.
(2)对物块B由动能定理-μmBgxB=0-
1
2mBv
2
B,代入数据
解得,物块与桌面间的动摩擦因数为μ=0.2.
(3)由能量守恒定律ΔEp=
1
2mAv
2
A+
1
2mBv
2
B+μmAgΔxA+
μmBgΔxB,其中 mA=mB,Δx=ΔxA+ΔxB,解得整个过程
中,弹簧释放的弹性势能 ΔEp=0.12J.
答案:(1)1m/s 1m/s (2)0.2 (3)0.12J
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7.解析:(1)设碰撞前瞬间弹珠A 的速度为v1,由运动学公式
得x1=v0t1-
1
2at
2
1,
v1=v0-at1,由牛顿第二定律得Ff=μmg=ma,
联立解得a=5m/s2,μ=0.5,v1=4m/s,
(2)由(1)可知弹珠A 和B 在地面上运动时加速度大小均为
a=5m/s2,弹珠A 碰撞后瞬间的速度为v1′,由运动学规律
v1′
2=2aΔx,
解得v1′=1m/s,
设碰后瞬间弹珠B 的速度为v2′,由动量守恒定律得mv1+0
=mv1′+mv2′,
解得v2′=3m/s;
所 以 两 弹 珠 碰 撞 瞬 间 的 机 械 能 损 失 ΔEk =
1
2 mv
2
1
- 12mv1′
2+12mv2′
2( ) ,
解得 ΔEk=7.5×10
-3J,
碰后弹珠B 运动的距离为 Δx′=
v2′
2
2a =0.9m<1m
所以弹珠
B 没有进坑,故不能胜出.
答案:(1)v1=4m/s,μ=0.5;(2)7.5×10
-3J,不能
假期必刷10
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1.解析:(1)滑块A 和滑块B 发生碰撞,用质量大的滑块A 碰
质量小的滑块B,则不会发生反弹,所以mA>mB.
(2)滑块经过光电计时器时做匀速运动
则碰前滑块A 的速度为vA=
d
t1
,
碰后滑块A 的速度vA′=
d
t3
,
碰后滑块B 的速度vB′=
d
t2
;
(3)由动量守恒定律得
mAvA=mAvA′+mBvB′,
化简可得
mA
t1
=
mA
t3
+
mB
t2
.
答案:(1)大于 (2)dt1
(3)
mA
t1
=
mA
t3
+
mB
t2
2.解析:(1)如题图乙,B球有10个落点位置,实验中应取平均
位置.方法是用最小的圆将所有点圈在里面,圆心位置即为
落点平均位置,找准平均位置,读数时应在刻度尺的分度值
后面再估读一位.读数为649cm(647~651cm 均正确).
(2)本实验的装置中,被碰小球B和入射小球 A 都从轨道末
端开始做平抛运动,且两球平抛时间相同.设未放被碰 B球
时,A球平抛水平位移为sA;A、B相碰后,A、B两球的水平
位移分别为sA′、sB′,A、B质量分别为 mA、mB,则碰前 A 的
动量为 mA
sA
t
,碰后 A、B的动量之和可 写 成 mA
sA′
t +mB
sB′
t
,要验证动量守恒,即验证以上两式是否相等,所以该实
验应测量的物理量有mA、mB、sA、sA′、sB′,故 A、B、D正确.
答案:(1)649 (2)ABD
3.解析:(1)A球碰撞前做平抛运动的水平位移是图中的OP,
A、B球相碰后,A的速度变小,小于碰撞前速度,且 A 的速
度小于B的速度,离开轨道后两球做平抛运动,由于抛出点
的高度相等,运动时间相等,则碰撞后 A 的水平位移小于 B
的水平位移,A 的水平位移小于碰撞前 A 的水平位移,由题
中图示可知,A 球做平抛运动的水平位移是图中的 OM,B
球做平抛运动的水平位移是图中的ON;
(2)只要保证 A 球每次到达轨道末端时的速度相等即可,实
验时应让 A 球从斜槽的同一位置由静止释放,实验中 A 球
下滑过程中与斜槽轨道间存在摩擦力对实验结果不会产生
误差;
(3)为防止碰撞后入射球反弹,入射小球 A 的质量应大于被
碰小球B的质量,故 A 错误;小球离开斜槽后做平抛运动,
小球做平抛运动抛出点的高度相等,它们的运动时间相等,
可以用小球的水平位移代替其水平速度,实验时不需要测量
斜槽末端到水平地面的高度,故 B错误;为保持每次实验入
射球的速度相等,入射小球每次必须从斜槽上的同一位置由
静止释放,故 C错误;为保证小球离开斜槽后做平抛运动,
斜槽末端的切线必须水平,故 D正确;
(4)根据动量守恒可得mAv2=mAv1+mBv3 因为碰前碰后从
同一高度做平抛运动,下落时间相同,所以mAv2t=mAv1t+
mBv3t,即mAx2=mAx1+mBx3,所以只要满足上式,A、B两
个小球碰撞过程中动量就守恒.
答案:(1)OM ON (2)不会 (3)D (4)mAx2=mAx1
+mBx3
4.解析:(1)为防止碰撞后入射球反弹,入射球的质量应大于
被碰球的质量,即应该使 mb 大于 ma,为了使碰撞能沿水平
方向发生,则二者的球心的高度要相同,所以它们的半径要
相等,故 A正确,B、C、D错误.
(2)要验证动量守恒,就需要知道碰撞前、后的动量,所以要
测量两个小球的质量及碰撞前后小球的速度,碰撞前、后小
球都做平抛运动,速度可以用水平位移代替.所以需要测量
的量为:小球a、b的质量ma、mb,记录纸上O 点到A、B、C各
点的距离OA、OB、OC,故 A、B正确,C、D错误.
(3)小球离开轨道后做平抛运动,小球抛出点的高度相同,小
球在空中的运动时间t相等,如果碰撞过程动量守恒,则:
mbv0=mbv1+mav2
两边同时乘以时间t,得:mbv0t=mbv1t+mav2t
则:mbOB=mbOA+maOC
(4)桌面离地面的高度为h,该地的重力加速度为g,小球b
飞行的时间:t= 2hg
,
b的初速度v0=
OB
t =OB
g
2h
,
弹簧锁定时具有的弹性势能Ep 转化为小球b的动能,所以
弹簧锁定时具有的弹性势能Ep 为:
Ep=
1
2mbv
2
0=
mbgOB
2
4h .
答案:(1)A (2)AB (3)mbOB=mbOA+maOC
(4)
mbgOB
2
4h
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5.解析:(1)A.实验中若使小球碰撞前、后的水平位移与其碰
撞前、后速度成正比,需要确保小球做平抛运动,即实验前,
调节装置,使斜槽末端水平,故 A 正确;B.为使两小球发生
的碰撞为对心正碰,两小球半径需相同,故 B错误;C.为使
碰后入射小球与被碰小球同时飞出,需要用质量大的小球碰
撞质量小的小球,故 C正确.
311
(2)用圆规画圆,尽可能用最小的圆把各个落点圈住,这个圆
的圆心位置代表平均落点.
碰撞前、后小球均做平抛运动,
由h=12gt
2 可知,小球的运动时间相同,所以水平位移与平
抛初速度成正比,所以若 m1OP=m1OM+m2ON,即可验证
碰撞前后动量守恒.
(3)设轻绳长为L,小球从偏角θ处静止摆下,摆到最低点时
的速度为v,小球经过圆弧对应的弦长为l,则由动能定理有
mgL(1-cosθ)=12mv
2,
由数学知识可知sinθ2=
l
2L
,
联立两式解得v=l gL
,
若两小球碰撞过程中动量守恒,则有
mv1=-mv2+Mv3,
又有v1=l1 gL
,v2=l2 gL
,v3=l3 gL
,
整理可得ml1=-ml2+Ml3.
答案:(1)AC (2)①用圆规画圆,尽可能用最小的圆把各个
落点圈住,这个圆的圆心位置代表平均落点 ②m1OP=
m1OM+m2ON
(3)ml1=-ml2+Ml3
假期必刷11
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1.C [位移减小时,速度增大,加速度减小,故 A 错误;位移方
向总跟加速度方向相反;当物体远离平衡位置时,位移方向
与速度方向相同,当物体靠近平衡位置时,位移方向与速度
方向相反,故B错误,C正确;物体通过平衡位置时,回复力
为零,但合外力不一定为零,所以不一定处于平衡状态,故 D
错误.]
2.B [转速由零逐渐增大,转动的频率逐渐接近小球振动的
固有频率,振幅增大,与固有频率相同时振幅最大;超过固有
频率,转速继续增大,振幅减小,故小球B 的振幅先增大后
减小,故B正确.]
3.C [由题中图像知两弹簧振子的周期不相等,只是初相相
同,所以它们的相位不相同,选项 A 错误;两振动系统为水
平弹簧振子,能量只有动能和弹性势能,当位移最大时振动
能量即弹性势能,甲的振幅大,但两弹簧的劲度系数大小不
知,所以最大位移时弹性势能无法判断,即总能量大小无法
判断,选项B错误;t=2s时甲处于平衡位置向负向运动,具
有负向最大速度,乙在正向最大位移处,具有正向最大位移,
选项 C正确;不知道两个弹簧劲度系数和振子质量的大小
关系,所以无法判断回复力大小和加速度大小的比例关系,
选项 D错误.]
4.C [小球在O 点弹簧弹性势能是0,所以小球的动能最大,
小球从O 位置向B 位置运动过程中受到弹簧的向左的拉
力,与小球速度的方向相反,所以小球做减速运动,故 A 正
确;小球每次通过同一位置时的回复力F=-kx 都是相等
的,所以加速度一定相同,故 B正确;小球从A 位置向O 位
置运动过程中,速度增大,所以动能逐渐增大,弹簧振子所具
有的势能逐渐减小,从O 位置向B 位置运动过程中,速度减
小,所以动能逐渐减小,弹簧振子所具有的势能逐渐增大,故
C错误;小球在运动的过程中,动能与弹性势能相互转化,由
于小球在A 点与在B 点的速度都是0,所以小球在 A 位置
弹簧振子所具有的势能与在B 位置弹簧振子所具有的势能
相等,故 D正确.]
5.AC [对小球施加向下的力使其偏离平衡位置,在t=0时
由静止释放,可知此时小球位于最低点,且小球的运动可视
为简谐运动,周期为T.则小球在t=1.5T 时刻处于最高点
位置,此时位移最大,方向向上(正方向);小球受到的回复力
最大,方向向下,则小球的加速度最大,方向向下(负方向);
此时小球的速度为0.故选 AC.]
6.D [由题中图线可知,此单摆的固有频率为05Hz,固有周
期为2s,A错误;由单摆周期公式T=2π lg
,可解得此单
摆的摆长约为1m,B错误;若摆长增大,单摆的固有周期增
大,固有频 率 减 小,共 振 曲 线 的 峰 将 向 左 移 动,C 错 误,D
正确.]
7.BCD [将 A、B作为整体,A 在P 点时弹簧处于原长,根据
牛顿第二定律mBg=(mA+mB)a,根据对称性,B到达最低
点的加速度与初始位置大小相等,因此FT-mBg=mBa,解
得绳子能承受的最大拉力
FT=
mA+2mB
mA+mB
mBg,A错误;
A 处于O 位置时,根据平衡条件kx1=mBg,物体 B下降到
最低位置时,根据对称性,弹簧伸长量为2x1,因此最大弹性
势能Epm=
1
2k
(2x1)
2=
2mB
2g2
k
,B正确;
绳断后 A物体回到位置O 时,根据机械能守恒Epm=
1
2kx
2
1
+12mAv
2,可得 A的速度v=mBg
3
mAk
,C正确;
绳断后,平衡位置为P 点,从绳断到 A物体第一次回到位置
O 时所用的时间t=T6=
π
3
mA
k
,D正确.]
8.C [由单摆的振动图像可知振动周期为T=0.8πs,由单摆
的周期公式T=2π lg
得摆长为l=gT
2
4π2
=1.6m,xGt图像
的斜率代表速度,故起始时刻速度为零,且A、C 点的速度相
同,A、B 点的 速 度 大 小 相 同,方 向 不 同.综 上 所 述,可 知 C
正确.]
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9.解析:(1)秋千的摆动周期为 T=2π Lg =2π×
3
10=2×
314×5.4810 s≈3441s
,
水刚好不能淋湿人的头顶,即水恰好运动到头顶,有L-h1
=12gt
2
1,
代入 数 据 解 得t1 =
2(L-h1)
g =
2×2
10 s=
40
10 s=
0632s,
水落到头顶需要的时间为0632s,则有
水刚好不能淋湿人的头顶,打开出水孔的时刻为t1′=
1
4T
-t1=
1
4×3441s-0632s≈023s
(2)水刚好不能淋湿人体的任何部位,即水刚好运动到鞋底,
设水运动到鞋底的时间为t2,则有L+h2=
1
2gt
2
2
解得t2=0837s
则在秋千第二次到达最低点之前关闭出水孔的时刻为t2′=
3
4T-t2≈174s
(3)当秋千第二次到达最低点时,水又刚好不能淋湿人的头
顶,则关闭的时间为 Δt=34T-t2′-t1≈021s
答案:(1)023s (2)174s (3)021s
假期必刷12
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1.解析:(1)由单摆的周期公式T=2π lg
,
可得g=4π
2l
T2
,
由题图甲可知,摆长l=(8850-100)cm
=8750cm=08750m
411