第三节 动量守恒定律 第2课时 实验：验证动量守恒定律（表格式教学设计）物理沪科版选择性必修第一册

该高中物理教学设计聚焦动量守恒定律的实验验证，以一维碰撞为情境，通过气垫导轨滑块碰撞、斜槽小球平抛碰撞和摆球—平抛组合三种典型方案，构建从理论到实践的认知阶梯，帮助学生建立“系统动量守恒”的物理观念，实现从公式记忆到科学探究的跨越。 本设计突出科学思维与科学探究的核心素养，以例题解析引导学生进行模型建构与证据推理，如例1中利用速度代数值处理强化矢量意识，例2中通过多次落点平均确定水平位移体现数据处理能力，例3则巧妙将机械能转化与动量守恒结合，展现跨模块整合思维。教学过程注重问题驱动与误差分析，培养学生严谨求实的科学态度，既提升学生实验设计与论证能力，又为教师提供可直接使用的结构化教案与典型习题资源，显著增强课堂实效性与教学深度。

第三节 动量守恒定律 第2课时 实验：验证动量守恒定律（教学设计） 年级 高二 学科 物理 课时数 课题 动量守恒定理 第2课时 实验：验证动量守恒定律 教学 目标 1. 会根据器材和要求设计实验方案。 2. 通过实验验证一维碰撞情况下系统的动量守恒。 教材 分析 动量守恒定律”是高中力学体系中继牛顿运动定律之后的又一条基本守恒定律，与能量守恒并列，是研究复杂碰撞及爆炸现象的核心工具。本节课安排在“动量守恒定律”理论教学之后，以“验证动量守恒定律”实验为载体，帮助学生在真实情境中经历“提出问题—设计方案—实验验证—评估结论”的完整探究过程，实现从“知其然”到“知其所以然”的跨越。 教学 重点 1. 碰撞系统动量守恒定律的实验验证思路； 2. 速度测量与动量计算的数据处理方法。 教学 难点 1. 合外力“近似为零”的判断及其对实验误差的影响； 2. 正方向规定、速度代数值处理与守恒检验的统一。 教学过程 教师活动 学生活动 学习新课 一、实验原理 在一维碰撞的情况下，设两个物体的质量分别为m1、m2，碰撞前的速度分别为v1、v2，碰撞后的速度分别为v1′、v2′，若系统所受合外力为零，则系统的动量守恒，则 m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。 掌握实验原理 学习新课 二、设计实验方案 1. 方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 (1)质量的测量：用天平测量。 (2)速度的测量：v＝ ，式中的d为滑块上挡光板的宽度，Δt为数字计时器显示的滑块上的挡光板经过光电门的时间。本实验碰撞前、后速度大小的测量采用的是极限法。 (3)碰撞情景的实现：如图所示，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。 (4)器材：气垫导轨、数字计时器、滑块(带挡光板)两个、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥、天平。 注意事项：①注意速度的矢量性：规定一个正方向，碰撞前后滑块速度的方向跟正方向相同即为正值，跟正方向相反即为负值，比较m1v1＋m2v2与m1v1′＋m2v2′是否相等，应该把速度的正负号代入计算。 ②造成实验误差的主要原因是存在摩擦力。利用气垫导轨进行实验，调节时确保导轨水平。 【例1】某同学利用气垫导轨做“验证动量守恒定律”的实验，气垫导轨装置如图所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成。 (1)下面是实验的主要步骤： ①安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平； ②向气垫导轨通入压缩空气； ③接通数字计时器； ④把滑块2静止放在气垫导轨的中间； ⑤滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳； ⑥释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧带有固定弹簧(未画出)的滑块2碰撞，碰后滑块2和滑块1依次通过光电门2，两滑块通过光电门2后依次被制动； ⑦读出滑块通过光电门的挡光时间分别为：滑块1通过光电门1的挡光时间Δt1＝10.01 ms，通过光电门2的挡光时间Δt2＝49.99 ms，滑块2通过光电门2的挡光时间Δt3＝8.35 ms； ⑧测出挡光板的宽度d＝5 mm，测得滑块1的质量为m1＝300 g，滑块2(包括弹簧)的质量为m2＝200 g。 (2)数据处理与实验结论： ①实验中气垫导轨的作用是： A.___________________________________________________________； B.___________________________________________________________。 ②碰撞前滑块1的速度v1为__________ m/s；碰撞后滑块1的速度v2为__________ m/s；碰撞后滑块2的速度v3为__________ m/s；(结果均保留两位有效数字) ③碰撞前系统的总动量为m1v1＝________。 碰撞后系统的总动量为m1v2＋m2v3＝________。 由此可得实验结论：____________________________________________。 【解析】①A.大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差。 B.保证两个滑块的碰撞是一维的。 ②滑块1碰撞之前的速度 滑块1碰撞之后的速度 滑块2碰撞之后的速度 ③系统碰撞之前m1v1＝0.15 kg·m/s，系统碰撞之后m1v2＋m2v3＝0.15 kg·m/s。 通过实验结果，可得结论：在实验误差允许的范围内，两滑块相互作用的过程，系统的动量守恒。 2. 方案二：研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 如下图所示，让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来，与放在斜槽水平末端的另一质量较小的同样大小的小球发生碰撞，之后两小球都做平抛运动。 (1)质量的测量：用天平测量。 (2)速度的测量：由于两小球下落的高度相同，所以它们的飞行时间相等。如果以小球的飞行时间为单位时间，那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平速度。只要测出不放被碰小球时入射小球在空中飞出的水平距离OP，以及碰撞后入射小球与被碰小球在空中飞出的水平距离OM和ON，就可以表示出碰撞前后小球的速度。 (3)碰撞情景的实现： ①不放被碰小球，让入射小球m1从斜槽上某一位置由静止滚下，记录平抛的水平位移OP。 ②在斜槽水平末端放上被碰小球m2，让m1从斜槽同一位置由静止滚下，记下两小球离开斜槽做平抛运动的水平位移OM、ON。 ③验证m1·OP与m1·OM＋m2·ON在误差允许范围内是否相等。 (4)器材：斜槽、两个大小相等而质量不等的小球、铅垂线、白纸、复写纸、刻度尺、天平、圆规。 实验注意事项： (1)入射小球的质量m1大于被碰小球的质量m2(m1>m2)。 (2)入射小球半径等于被碰小球半径。 (3)入射小球每次必须从斜槽上同一高度处由静止滚下。 (4)斜槽末端的切线方向水平。 (5)为了减小误差，需要找到不放被碰小球及放被碰小球时小球落点的平均位置。为此，需要让入射小球从同一高度多次滚下，进行多次实验，然后用圆规画尽量小的圆把小球所有的落点都圈在里面，其圆心即为小球落点的平均位置。 (6)不需要测量速度的具体数值。因平抛运动高度相同，下落时间相等，速度的测量可转换为水平距离的测量。 【例2】某同学用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CQ是斜槽，QR为水平槽，二者平滑相接，调节实验装置，使小球放在QR上时恰能保持静止，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，落到位于水平地面上的记录纸上，留下痕迹。重复上述操作10次，得到10个落点痕迹。然后把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。 图甲中O是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点，P为未放被碰球B时A球的平均落点，M为与B球碰后A球的平均落点，N为被碰球B的平均落点。若B球落点痕迹如图乙所示，其中米尺水平放置，且平行于OP。米尺的零点与O点对齐。 (1)入射球A的质量mA和被碰球B的质量mB的关系是mA ＞ mB(选填“>”“<”或“＝”)。 (2)碰撞后B球的水平射程约为 64.7(64.2～65.2均可) cm。 (3)下列选项中，属于本次实验必须测量的是 ABD (填选项前的字母)。 A.水平槽上未放B球时，测量A球平均落点位置到O点的距离 B.A球与B球碰撞后，测量A球平均落点位置到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 E.测量G点相对于水平槽面的高度 (4)若系统动量守恒，则应有关系式：mA·OP＝mA·OM＋mB·ON 记忆质量和速度的测量方式 掌握实验的注意事项 学习新课 三、实验步骤 1. 实验步骤 不论哪种方案，实验过程均可按实验方案合理安排，参考步骤如下： (1)用天平测出相关质量。 (2)安装实验装置。 (3)使物体发生一维碰撞，测量或读出相关物理量，计算相关速度，填入预先设计好的表格。 (4)改变碰撞条件，重复实验。 (5)通过对数据的分析处理，验证碰撞过程动量是否守恒。 (6)整理器材，结束实验。 学习新课 四、实验创新设计 【例3】利用如图所示的装置做“验证动量守恒定律”的实验，质量为mA的钢球A用细线悬挂于O点，质量为mB的钢球B放在离地面高度为H的小支柱N上。O点到A球球心的距离为L。使悬线在A球释放前伸直，且线与竖直方向的夹角为α，A球释放后摆动到最低点时恰与B球正碰，碰撞后，A球把轻质指示针OC推移到与竖直方向夹角为β处，B球落到地面上，地面上铺一张盖有复写纸的白纸D。保持α角度不变，多次重复上述实验，白纸上记录了多个B球的落点，重力加速度为g。(悬线长远大于小球半径) (1)图中x应是B球初始位置到B球平均落点的水平距离。 (2)为了验证动量守恒，应测得的物理量有mA、mB、α、β、H、L、x。 (3)用测得的物理量表示(vA为A球与B球刚要相碰前A球的速度，vA′为A球与B球刚相碰后A球的速度，vB′为A球与B球刚相碰后B球的速度)： mBvB′＝mBx 课 堂 练 习 1. 如图所示，在实验室用两端带竖直挡板C、D的气垫导轨 和带有固定挡板的质量都是M的滑块A、B做“验证动量守恒定律”的实验： (1)把两滑块A和B紧贴在一起，在A上放一质量为m的砝码，置于导轨上，用电动卡销卡住A和B，在A和B的固定挡板间放一弹簧，使弹簧处于水平方向上的压缩状态。 (2)按下电钮使电动卡销放开，同时启动两个记录两滑块运动时间的电子计时器，当A和B与挡板C和D碰撞的同时，电子计时器自动停表，记下A至C的运动时间t1，B至D的运动时间t2。 (3)重复几次取t1、t2的平均值。 请回答以下几个问题： ①在调整气垫导轨时应注意使气垫导轨水平； ②应测量的数据还有滑块A的左端到挡板C的距离s1和滑块B的右端到挡板D的距离s2； ③只要关系式＝成立，即可验证动量守恒定律。 2. 现利用图(a)所示的装置“验证动量守恒定律”。在图(a)中，气垫导轨上有A、B两个滑块，滑块A右侧带有一弹簧片，左侧与穿过打点计时器(图中未画出)的纸带相连；滑块B左侧也带有一弹簧片，上面固定一遮光片，数字计时器(未完全画出)可以记录遮光片通过光电门的时间。实验测得滑块A的质量m1＝0.310 kg，滑块B的质量m2＝0.108 kg，遮光片的宽度d＝1.00 cm；打点计时器所用交变电流的频率f＝50.0 Hz。将光电门固定在滑块B的右侧，启动打点计时器，给滑块A一向右的初速度，使它与B相碰。碰后数字计时器显示的时间为ΔtB＝3.500 ms，碰撞前后打出的纸带如图(b)所示。 若实验允许的相对误差绝对值(×100%)最大为5%，本实验是否在误差允许范围内验证了动量守恒定律？写出运算过程。 【解析】设滑块A在碰撞前、后瞬时速度大小分别为v0、v1。 将②式和题图(b)所给实验数据代入①式可得 v0＝2.00 m/s ③ v1＝0.970 m/s ④ 设滑块B碰撞后的速度大小为v2，由①式有 v2＝ ⑤ 代入题给实验数据得v2≈2.86 m/s ⑥ 设两滑块在碰撞前、后的动量分别为p和p′，则 p＝m1v0＝0.620 kg·m/s ⑦ p′＝m1v1＋m2v2≈0.610 kg·m/s ⑧ 两滑块在碰撞前、后总动量相对误差的绝对值为 δp＝×100% ⑨ 联立得δp≈1.6%<5%。 因此，本实验在误差允许的范围内验证了动量守恒定律。 板 书 设 计 动量守恒定理 第2课时 实验：验证动量守恒定律 一、实验原理 在一维碰撞的情况下，设两个物体的质量分别为m1、m2，碰撞前的速度分别为v1、v2，碰撞后的速度分别为v1′、v2′，若系统所受合外力为零，则系统的动量守恒，则 m1v1＋m2v2＝ m1v1′＋m2v2′。 二、设计实验方案 1. 质量的测量：用天平测量。 2. 速度的测量：v＝ 。 3. 碰撞情景的实现：让入射小球m1从斜槽上某一位置由静止滚下（不放被碰小球）或让m1从斜槽同一位置滚下。 4. 其他注意事项 三、实验步骤 （1）用天平测出相关质量。 （2）安装实验装置。 （3）使物体发生一维碰撞，测量或读出相关物理量，计算相关速度，填入预先设计好的表格。 （4）改变碰撞条件，重复实验。 （5）通过对数据的分析处理，验证碰撞过程动量是否守恒。 （6）整理器材，结束实验。 四、相关公式 1. 方案1斜槽小球 mA·OP＝mA·OM＋mB·ON 2. 方案2摆球—平抛 mBvB′＝mBx 作 业布置 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $