第3节 科学验证：动量守恒定律（表格式教学设计）物理鲁科版2019选择性必修第一册

该高中物理教学设计聚焦动量守恒定律的实验验证核心知识点，通过母球撞击白球的生活现象导入，引导学生从碰撞速度关系的思考，逐步过渡到实验方案设计与验证，以探究任务单为支架，提供气垫导轨与斜槽小球两种实验方案供选择。 本资料以科学探究为主线，突出科学思维培养，学生可自主设计实验步骤、处理数据并分析误差来源，如通过最小圆法确定落点减小偶然误差，结合例题与训练强化动量矢量性理解，既提升学生实验操作与论证能力，也为教师提供结构化教学流程与多样化评价素材。

第3节 科学验证：动量守恒定律（教学设计） 年级 高二 学科 物理 教师 课题 第3节 科学验证：动量守恒定律 教学 目标 物理观念 能明确动量守恒定律验证实验的理论依据，理解实验中系统的选取及守恒条件的控制要点，深化对定律内涵的认知。 科学思维 能分析实验方案（如斜槽小球碰撞）的设计逻辑，通过误差分析优化实验步骤，提升科学实验中的逻辑推理与问题解决能力。 科学探究 能独立完成动量守恒定律的验证实验，规范操作测量工具（如刻度尺、天平），处理实验数据并得出结论，强化实验探究的实操与分析能力。 科学态度 与责任 通过体验定律验证的严谨过程，认识科学结论需经实验检验的本质，培养实事求是的科学态度和尊重实验事实的精神。 教学 重难点 重点：掌握动量守恒定律的实验验证方法及数据处理。 难点：控制实验条件以减小误差及分析误差来源。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 一个静止的白球被母球撞击后飞出，母球则改变方向继续运动。问：“为什么母球撞完之后没有停下？而被撞的球却突然动了起来？它们的速度之间有没有某种‘传递’关系？” 思考碰撞中的速度变化规律。 新课讲授 一、方案设计 引导语：“这看似简单的碰撞背后，隐藏着自然界一条深刻的守恒律——动量守恒。我们就化身小小科学家，亲手设计实验，去揭开它的神秘面纱。” 追问：“我们能否在教室里找到一个几乎不受外力的系统来做实验呢？” 预设学生回答：“很难，总有摩擦力。” 教师顺势引导：“没错，所以我们需要‘聪明地’减小干扰。比如使用气垫导轨让滑块‘漂浮’起来，极大减小摩擦；或者用斜槽小球从同一高度释放，使水平方向合力为零。这就是我们的实验智慧！ （1） 、提供两种主流实验方案供选择。 教师展示两种实验装置实物或高清图片： 方案A：气垫导轨+光电门系统。两滑块置于水平气垫导轨上，一端装有弹簧片用于弹性碰撞，光电门连接数字计时器测量滑块通过的时间。 （2） 方案B：斜槽轨道+落点法。固定斜槽末端水平，让小球A从斜槽某高度滚下，在水平轨道末端与静止小球B发生碰撞，两球离开轨道后做平抛运动，落在铺有复写纸的白纸上留下落点痕迹。 教师说明：“每组可任选一种方案进行探究，我们将比一比哪组的数据最精准！” （二）、组织小组讨论实验步骤与数据记录表。 教师发放实验探究任务单，要求各小组围绕以下问题展开讨论： 1. 如何测量碰撞前后的速度？写出具体操作步骤。 2. 需要测量哪些物理量？列出所需仪器。 3. 设计一张清晰的数据记录表格，包含质量、时间/位移、速度、动量等栏目。 教师巡视指导，提醒学生注意：气垫导轨要调水平，斜槽末端必须水平，多次测量取平均值减少偶然误差。 例如，对于方案B，教师提示：“小球做平抛运动，水平速度 v = x / t，而下落时间 t 由高度 h 决定，t = √(2h/g)，由于 h 相同，t 相同，因此 v ∝ x。所以只需测量水平位移即可反映速度大小。” 1.思考如何在现实中近似实现“无外力”环境。 2. 观察实验装置，理解其工作原理。 3. 小组讨论选定实验方案，明确分工。 4. 共同设计实验步骤与数据记录表格。 5. 提出疑问并与教师交流改进方案。 新课讲授 二、动手实践 （1） 、指导学生规范组装与调试设备。 教师先进行示范操作：以气垫导轨为例，打开气泵使滑块悬浮，调节导轨底脚螺丝直至滑块能在任意位置静止，表明导轨已水平。检查光电门位置是否正对滑块挡光片，连接计时器并清零。 强调安全事项：“轻拿轻放滑块，避免碰撞损坏光电门；实验结束及时关闭气源。” 随后各小组按照所选方案开始实验。教师巡回指导，重点关注： 1. 气垫导轨是否真正水平？可用轻推滑块观察其是否匀速运动来检验。 2. 斜槽末端是否水平？可用小球从末端滚出后是否沿直线运动初步判断。 3. 碰撞是否对心？尽量保证两球中心在同一高度且正碰。 （二）、监督数据采集过程，确保真实性。 要求每组至少完成三次有效碰撞实验，记录每次碰撞前A球通过光电门的时间 t₁（或斜槽中小球A未碰B时的落地点P₀），碰撞后A球时间 t₁'（落点M），B球时间 t₂'（落点N）。 教师提醒：“每次释放小球的位置要一致，保证初速度相同；落点要用圆规画最小包围圆确定平均落点。” 对于使用打点计时器的小组，指导如何选取清晰的点迹段计算速度。 当发现某组数据明显异常时，不直接否定，而是引导他们自查原因：“你们觉得可能是哪个环节出了问题？要不要重新测一次？” （三）、引导学生计算速度与动量。 教师投影一份空白数据表，现场演示计算过程： 以气垫导轨为例，若滑块A质量 m₁ = 200g，挡光片宽度 d = 1.0cm，第一次碰撞前通过光电门时间 t₁ = 0.050s，则碰撞前速度 v₁ = d/t₁ = 0.01/0.05 = 0.2m/s，动量 p₁ = m₁v₁ = 0.2×0.2 = 0.04kg·m/s。 同理计算碰撞后A、B的动量 p₁' 和 p₂'，求和得总动量 p' = p₁' + p₂'。 强调单位统一：质量用kg，速度用m/s，动量单位为kg·m/s。 （四）、组织小组汇报与对比分析。 邀请三组代表上台展示他们的数据与计算结果。教师将各组碰撞前总动量 Σp 和碰撞后总动量 Σp' 列成对比表。 提问：“大家看看，Σp 和 Σp' 是否相等？如果不完全相等，差异有多大？可能是什么原因造成的？” 引导学生分析误差来源： 1. 实验装置本身：气垫仍有微小摩擦、导轨不够水平、碰撞非完全弹性。 2. 测量误差：光电门反应延迟、刻度尺读数偏差、落点判断不准。 3. 环境因素：空气阻力影响。 总结：“虽然数据不完全相等，但在实验误差允许范围内基本守恒，这恰恰体现了科学探究的真实性——我们追求的是趋势而非绝对精确。” 【例题1】某实验小组验证动量守恒定律。主要实验器材有：质量不同的滑块a、b，天平，两个相同轻质弹簧，压力传感器A、B及其配件，气垫导轨及其配件。 （1）用天平测出a、b两个滑块的质量分别为、。 （2）用充气泵给气垫导轨充气，调节气垫导轨水平，并将两轻质弹簧水平固定在压力传感器上，两滑块与两弹簧不连接。如图甲所示。 （3）水平向右推滑块a，使右侧弹簧适当压缩井锁定。压力传感器开始记录数据，同时开始计时，0.5s时刻释放a。a与b发生碰撞后，b向左运动并压缩左侧弹簧，a向右运动并再次压缩右侧弹簧。该过程中，压力传感器A、B受到的压力随时间变化的图像分别如图乙中A、B所示。 （4）若弹簧弹力大小与形变量的关系如图丙所示，弹簧的劲度系数k=______N/m，释放滑块a过程中，弹簧对滑块a做的功为W=______J，滑块a获得的速度为=______m/s。 （5）滑块a被反弹，压缩A上的弹簧______mm后速度为零，由此可以计算得出碰撞后a的速度为______m/s，同理可得b的速度为0.76m/s． （6）取向左为正方向，滑块a和滑块b组成的系统，碰撞前总动量为=______kg·m/s，碰撞后总动量为=______kg·m/s。实验相对误差=______，如果小于5%，则可认为动量守恒。（所有空均保留3位有效数字） 【答案】 400 0.0800 1.00 4.00 0.200 0.160 0.158 1.25% 【详解】（4）[1]若弹簧弹力大小与形变量的关系如图丙所示，弹簧的劲度系数 [2]根据图丙中图像与横轴围成的面积表示弹簧对a做的功，则有弹簧对滑块a做的功为 [3]根据 滑块a获得的速度为 （5）[4][5]滑块a被反弹，压缩A上的弹簧 后速度为零，根据 可以计算得出碰撞后a的速度为 （6）[6]取向左为正方向，滑块a和滑块b组成的系统，碰撞前总动量为 [7]碰撞后总动量为 [8]实验相对误差 针对训练1 实验小组采用如图所示装置做“验证动量守恒定律”的实验。先让质量为的小钢球a从斜槽轨道上某点由静止释放，在水平桌面上的记录纸上留下压痕，重复多次；再把质量为的玻璃球静置于斜槽轨道末端，让球仍从相同位置由静止释放，和球正碰后两球分别落在记录纸的不同位置处，重复多次。用尽量小的圆把小球落点圈在其中，得到三个平均落点位置、、。 (1)关于本实验，下列说法正确的是________。 A．两球半径大小应相等 B．安装斜槽轨道时应使其末端水平 C．该实验中必须测量轨道末端到水平桌面的高度 D．在同一组实验中，a球可以从不同位置由静止释放 (2)把最小圆的圆心作为小球落点的平均位置，目的是减小实验的________。（选填“偶然误差”或“系统误差”）。 (3)测出小球抛出点在桌面上的投影点到点、、的距离，分别记为、、，若、、、、满足关系式________，即可验证两球碰撞过程满足动量守恒定律。 【答案】(1)AB(2)偶然误差(3) 【详解】（1）A．为了保证两球发生对心正碰，两球半径大小应相等，故A正确； B．为了保持小球抛出时的速度处于水平方向，安装斜槽轨道时应使其末端水平，故B正确； C．两球在空中做平抛运动的下落高度相等，运动时间相等，可用水平位移代替抛出时的初速度，所以该实验中不需要测量轨道末端到水平桌面的高度，故C错误； D．在同一组实验中，为了保持每次碰撞前瞬间a球的速度相同，a球每次需要从同一位置由静止释放，故D错误。 故选AB。 （2）把最小圆的圆心作为小球落点的平均位置，目的是减小实验的偶然误差。 （3）设碰撞前瞬间a球的速度为，碰撞后瞬间a球的速度为，b球的速度为，根据动量守恒可得 由于两球在空中做平抛运动的下落高度相等，运动时间相等，则有，， 联立可得若满足关系式 即可验证两球碰撞过程满足动量守恒定律。 1. 组装实验装置，调试至正常工作状态。 2. 按照步骤进行多次碰撞实验。 3. 准确记录时间、位移等原始数据。 4. 小组成员分工协作，有人操作、有人计时、有人记录。 5. 根据测量数据计算各阶段速度与动量。 6. 填写完整数据表，得出实验结论。 7. 参与班级交流，分享本组结果。 8. 分析误差原因，提出改进建议。 课 堂 练 习 1.用如图甲所示的装置“验证动量守恒定律”。水平放置的气垫导轨上有、两个滑块，开始时两个滑块静止，它们之间有一根被压缩的轻质弹簧，滑块间用绳子连接，如图甲所示。气垫导轨正常工作后，将绳子烧断，两个滑块向相反方向运动，同时开始频闪拍摄，得到一幅多次曝光的数码照片，如图乙所示。已知频闪的频率为，滑块、的质量分别为、。 (1)由图可知，A、B离开弹簧后，应该做 运动，根据照片记录的信息，从图中可以看出闪光照片有明显与事实不相符合的地方是 ； (2)若不计此失误，分开后，A的动量大小为 ，的动量的大小为 ； (3)本实验中得出“在实验误差允许范围内，两滑块组成的系统动量守恒”这一结论的依据是 。 【答案】(1) 匀速直线 A、B两滑块的第一个间隔(2) 0.018 0.018(3)A、B两滑块作用前后总动量相等，均为0 【详解】（1）[1] A、B离开弹簧后，不受弹力，气垫导轨没有摩擦，则两滑块均做匀速直线运动； [2]烧断细线后，在弹簧恢复原长的过程中，应先做加速运动，当弹簧恢复原长后，滑块做匀速直线运动，由图中闪光照片可知，滑块直接做匀速直线运动，没有加速过程，实际上A、B两滑块的第一个间隔都应该比后面匀速时相邻间隔的长度小，故A、B两滑块的第一个间隔与事实不符。 （2）[1][2]频闪照相的时间间隔为 滑块A的速度为 滑块B的速度为 A的动量为 B的动量为 （3）由此可见A、B的动量大小相等、方向相反，系统的总动量为0，与释放前的动量相等，因此系统动量守恒。 2.某同学设计用如图所示的装置来验证动量守恒定律。打点计时器打点频率为50Hz。 操作步骤如下： 步骤一：用垫块垫起长木板的右端，使之具有一定的倾角，调节倾角，使得轻推一下小车A（前端粘有橡皮泥，后端连接纸带）或者小车B之后它们均能在长木板上做匀速直线运动。 步骤二：把B放在长木板合适的位置，A靠近打点计时器，接通打点计时器的电源，轻推一下A，A向下运动与B发生碰撞并粘在一起。 步骤三：一段时间后关闭打点计时器的电源，取下纸带。更换纸带后重复第二步操作。 步骤四：选取点迹清晰的纸带，标出若干计数点O、A、B…I，测量各计数点到O点的距离。其中一条纸带的数据如图所示。 (1)下列说法正确的是（　　） A．长木板右端垫上垫块是为了补偿阻力，保证小车碰撞前后做匀速直线运动 B．上述纸带的右端与小车相连 C．根据纸带判断两个小车可能是打下D点时相碰的 D．小车A在与B碰撞前机械能是守恒的 (2)相邻计数点之间还有四个点迹没有画出来，碰撞前小车A的速度大小是______m/s。（结果保留两位小数） (3)测得滑块甲、乙的质量均为，碰撞前小车A的动量是______。碰撞后滑块甲、乙的总动量是______。（结果均保留三位小数） (4)通过计算可以得出结论______。 【答案】(1)AB (2)0.60 (3) 0.240 0.232 (4)在一定误差范围内，碰撞过程满足动量守恒 【详解】（1）A．实验目的是验证动量守恒定律，需要使系统所受外力的合力为0，可知长木板右端垫上垫块是为了补偿阻力，保证小车碰撞前后做匀速直线运动，故A正确； B．碰撞前A的速度较大，碰撞后A、B粘合在一起速度较小，由图示的纸带及其数据来看，纸带的右端连接滑块A，故B正确； C．小车碰撞前后均在做匀速直线运动，碰撞前A的速度较大，纸带上点迹分布较稀疏，碰撞后A、B粘合在一起速度较小，纸带上点迹分布较密集，可知，在打下D点和E点之间的时间内，A、B发生碰撞，故C错误； D．小车A在与B碰撞前做匀速运动，动能不变，重力势能减小，则机械能不守恒，故D错误。 故选AB。 （2）相邻计数点之间还有四个点迹没有画出来，则相邻计数点间的时间间隔为 则碰撞前滑块甲的速度大小是 （3）[1]结合上述碰撞前滑块甲的动量是 碰撞后滑块甲、乙的速度 碰撞后滑块甲、乙的总动量是 （4）在误差允许的范围内有 则通过计算可以得出的结论是在一定误差范围内，碰撞过程满足动量守恒。 3.为了验证动量守恒定律，某实验小组制作了如图1所示的实验装置。用3D打印机打印出两个质量分别为且底面粗糙程度相同的物块A、B，将左侧带有挡板的长木板固定在水平面上，挡板右侧固定一个轻弹簧，弹簧处于原长时其右端在木板上的O点，在O点右侧依次并排放置A、B（A、B紧挨着），A与弹簧接触但未压缩弹簧。 实验步骤如下： ①保持B不动，用手拿着A向左将弹簧压缩至位置P； ②松手释放A，弹簧恢复原长时A与B发生碰撞，碰后两物块均向右运动一段距离停下，如图2所示，测得A、B静止时它们的左侧面与O点的距离分别为 ③拿走B，用手拿着A再次将弹簧压缩至位置P，然后松手释放，测得A停下时其左侧面到O点的距离为x₀，如图3所示，又测得A沿运动方向的宽度为L。 (1)为保证实现上述实验目标，应使_______（填“>”“=”或“<”）； (2)若A、B与木板间的动摩擦因数为μ、重力加速度为g，则碰后瞬间A的速度大小为_______；（用μ、g及以上步骤中测得的物理量表示） (3)若碰撞过程A、B组成的系统动量守恒，则应满足_______。 A． B． C． 【答案】(1)>(2)(3)C 【详解】（1）为保证实现上述实验目标，即两物块碰撞后m1不反弹，则应使； （2）对A碰后由动能定理 解得 （3）同理A碰前速度 B碰后速度 若动量守恒则满足 即，故选C。 课 堂 小 结 板 书 设 计 第3节 科学验证：动量守恒定律 实验原理 m1OP=m1OM+m2ON 实验方案 误差分析 偶然误差 系统误差 作业 布置 1.计算一维碰撞中两物体的动量变化，验证动量守恒定律（提供具体数据）。 2.设计实验方案（如气垫导轨碰撞实验），说明如何通过测量速度验证动量守恒，列出关键步骤。 3.结合火箭发射或中子发现案例，分析动量守恒定律的实际应用（200字以内）。 教学反思 1.学生仅记录数据未讨论误差来源（如气垫导轨水平度、光电门同步性），需增加误差分析环节，引导对比理论值与实验结果的偏差。‌ 2.碰撞问题中部分学生忽视方向性，建议补充“滑块反向弹开”的矢量分解练习，结合坐标轴正负号规范表达。 3.虽引入火箭反冲现象，但缺乏“汽车碰撞安全测试”等现代案例，可结合视频分析动量守恒在工程中的应用。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $