4.实验：验证动量守恒定律（导学案）物理教科版2019选择性必修第一册

第4节 实验：验证动量守恒定律 1.物理观念：通过实验验证动量守恒定律，加深对动量概念及动量守恒定律适用条件的理解。 2.科学思维：在进行验证实验的过程中，体会模型建构的思想方法和等效替代的物理思想。 3.科学探究：通过小组讨论、设计多个实验方案来验证动量守恒定律，学会从原理、器材、信息收集技术、信息处理方法等各方面来构思实验方案，经历将实际情境转换成解决问题的物理情境过程，提高学生的实验设计能力、动手能力和科学探究能力。 4.科学态度与责任：坚持实事求是的科学态度，在合作过程中既能坚持观点又能积极修正错误，感受科学实验的严谨。在实验过程中，引导学生如实记录实验数据，并能客观地对待所读取的实验数据，培养学生严肃、认真、实事求是的科学态度和科学精神。 1.选取合理的器材，设计合理的方案验证动量守恒定律(重点)。 2.创造系统满足动量守恒的条件(重点)。 3.掌握一维碰撞前、后速度测量的方法，并学会处理数据(重点)。 4.体会将不易测量物理量转化为易测量物理量的实验设计思想(重难点)。 【知识回顾】 第3节 动量守恒定律 一、动量守恒定律 m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′ 二、对动量守恒定律的理解 (1)系统不受外力或所受合外力为零。 (2)系统所受合外力不为零，但合外力远远小于内力，此时动量近似守恒。 (3)系统所受合外力不为零，但在某一方向上合外力为零，则系统在该方向上动量守恒。 三、动量守恒定律的应用 【自主预习】 第4节 实验：验证动量守恒定律 一、实验原理：验证m1·OP与m1·OM＋m2·ON 二、实验步骤： 三、实验分析： 四、其他方案： 思考与讨论 1.什么情境才能既满足动量守恒的条件，又比较容易地实现？ 答案　碰撞过程——内力远大于外力，符合动量守恒的近似守恒条件。 2.怎样才算是验证了动量守恒定律？ 答案　确定研究对象，通过实验测量两个碰撞物体的质量(m1、m2)及碰撞前后的速度(v1、v1′、v2、v2′)，根据动量守恒，应满足m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。 3.如何设计实验方案测出各物体的速度？ 答案　可以用研究抛体运动的实验装置进行碰撞实验;气垫导轨进行碰撞实验；单摆摆球碰撞实验等。 4.怎样减小偶然性？ 答案　1.斜槽末端必须水平 2.入射小球的质量m1必须大于被碰小球 的质量m2 3.斜槽轨道不必光滑 4.不必测量斜槽到地面的高度 5.不必测量入射小球出发点的高度 6.入射小球每次由静止释放的位置必须相同 课堂小结： 动量守恒定律是自然界的基本守恒定律之一,在高中物理教学中具有重要的地位。本节课主要是引导学生在初步掌握动量守恒定律的基础上,利用已有的知识进行实验设计、实验观察实验分析。学生以小组为单位自主设计实验方案,评价讨论实验方案,修正改进自己的实验方案,在此过程中,帮助学生深刻地理解了动量守恒定律的适用范围和内容。之后,学生小组完成实验操作,亲自动手逐渐揭开现象背后的本质,利用等效思想等验证了动量守恒定律。 1.某实验小组的同学们用图甲装置做验证动量守恒定律实验，即研究两个小球碰撞前、后的动量关系。 (1)实验中，直接测定小球碰撞前、后的速度是不容易的。同学们经过分析讨论，发现________________，因此可以用水平位移间接地来代替小球碰撞前、后的速度。 (2)图甲中O点是小球抛出点在水平地面上的垂直投影点。实验时，先将入射球A(质量为m1)多次从斜轨上S位置由静止释放，找到其平均落地点的位置P(图中未画出)，测量水平位移x1；然后把被碰小球B(质量为m2)静置于轨道的水平末端，再将入射小球A从斜轨上S位置由静止释放，与小球B相撞，找到A、B相碰后各自平均落地点的位置，并分别测量其水平位移x2、x3。多次重复本实验步骤，以减小实验误差。 (3)同学们在实验中正确操作，认真测量，得出的落点情况如图乙所示。通过分析可知，落点P为图乙中的位置________(填“1”“2”或“3”)，若两球相碰前、后的动量守恒，则m1∶m2＝________。 答案　(1)小球做平抛运动的时间相同　(3)2　6∶1 解析　(1)小球离开轨道后做平抛运动，由于抛出点的高度相等，小球做平抛运动的时间相等；小球做平抛运动的水平位移与初速度成正比，可以用水平位移间接地来代替小球碰撞前、后的速度。 (3)根据实验操作可知，入射小球未发生碰撞时落在位置2。 设入射小球未发生碰撞时的平抛初速度为v0，发生碰撞后入射小球的平抛初速度为v1，被碰小球的平抛初速度为v2，由动量守恒定律有 m1v0＝m1v1＋m2v2 可得m1v0t＝m1v1t＋m2v2t 则有m1x1＝m1x2＋m2x3 代入数据可得m1∶m2＝x3∶(x1－x2)＝55.68∶(44.48－35.20)＝6∶1。 2.在验证动量守恒定律的实验研究过程中：小明用“碰撞实验器”验证动量守恒定律，实验装置如图甲所示，研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。O是小球抛出时球心在地面上的垂直投影点，实验时，小明先让入射小球m1多次从斜轨上S位置由静止释放，找到其落地点的平均位置P，测量平抛的水平位移OP。然后把被碰小球m2静置于水平轨道的末端，再将入射小球m1从斜轨上S位置由静止释放，与小球m2相撞，多次重复实验，找到两小球落地的平均位置M、N。 (1)图乙是小球m2的多次落点痕迹，由此可确定其落点的平均位置对应的读数为________cm。 (2)下列器材选取或实验操作符合实验要求的是________。 A．选用两球的质量应满足m1>m2 B．可选用半径不同的两小球 C．小球m1每次必须从斜轨同一位置释放 D．需用秒表测量小球在空中飞行的时间 (3)在某次实验中，测量出两小球的质量分别为m1、m2，三个落点的平均位置与O点的距离分别为OM、OP、ON。在实验误差允许范围内，若满足关系式________________________，即验证了碰撞前后两小球组成的系统动量守恒。(用测量的物理量表示) 答案　(1)55.50　(2)AC　(3)m1·OP＝m1·OM＋m2·ON　(4)均匀　max2＝(ma＋mb)x4 解析　(1)确定小球落点平均位置的方法：用尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面，圆心就是小球落点的平均位置，根据题图乙可得小球m2落点的平均位置对应的读数为55.50 cm。 (2)为了保证入射小球不反弹，入射小球的质量应满足m1>m2，故A正确；为保证两小球发生碰撞时球心在同一水平线上，应选用半径相同的两小球，故B错误；为保证入射小球每一次发生碰撞前瞬间的速度都相同，每次入射小球m1必须从同一位置释放，故C正确；小球在空中做平抛运动的时间是相等的，所以不需用秒表测量小球在空中飞行的时间，故D错误。 (3)本实验需要验证m1v1＝m1v2＋m2v3 由于小球离开轨道后做平抛运动，它们抛出点的高度相等，在空中运动的时间t相等，上式两边同时乘以t得m1v1t＝m1v2t＋m2v3t 即在实验误差允许范围内，若满足关系式 m1·OP＝m1·OM＋m2·ON 即验证了碰撞前后两小球组成的系统动量守恒。 3.如图所示，某同学利用光电门、弹簧、滑块、小球等装置设计了一个实验，验证动量守恒定律。主要操作步骤为： ①将光电门固定在光滑水平桌面上； ②用天平分别测出小滑块a(含挡光片)和小球b的质量ma、mb； ③在桌面右边的地面上铺白纸，白纸上面放上复写纸； ④在a和b之间放一锁定压缩的轻弹簧，将系统静止放置在桌面上； ⑤解除锁定，a、b瞬间被弹开，记录a通过光电门时挡光片的遮光时间t； ⑥记录b落在地面上的点M，用刻度尺测出其到桌面的高度h和落地点M到桌子边缘投影点O′的水平距离s。 已知挡光片宽度为d、重力加速度为g，请回答下列问题： (1)滑块a经过光电门时的瞬时速度v＝________(用题干中字母表示)； (2)小球做平抛运动的初速度v0＝________；(用题干中字母表示)； (3)若a、b在解除锁定过程中动量守恒，需满足的关系式是_____________________(用题干中字母表示)； (4)写出一条减小实验误差的方法：_____________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　(1)　(2)s　(3)ma＝mbs　(4)可以减小挡光片的宽度，从而使a经过光电门的速度测量值更精确 解析　(1)解除锁定后，a向左运动，经过光电门，根据速度公式可知，a经过光电门的速度为v＝ (2)由题意可知，b做平抛运动有 h＝gt2，s＝v0t 则初速度为v0＝s (3)由动量守恒定律，可得 0＝mav－mbv0 即ma＝mbs (4)可以减小挡光片的宽度，从而使a经过光电门的速度测量值更精确(表述合理即可)。 4.某同学利用如图所示的装置进行“验证动量守恒定律”的实验，在水平槽末端与水平地面间放置了一个斜面，斜面的顶点与水平槽等高且无缝连接，已知入射小球质量为mA，被碰小球质量为mB，小球抛出点在地面上的垂直投影点为O，使入射小球从斜槽上S点由静止滚下，多次实验，得到两球落在斜面上的平均落点M′、P′、N′。用刻度尺测量斜面顶点到M′、P′、N′三点的距离分别为l1、l2、l3。则验证两球碰撞过程中动量守恒的表达式为__________________________(用所测物理量的字母表示)。 答案　mA＝mA＋mB 解析　由题意，设斜面倾角为θ，小球落点到斜面顶点的距离为l，由于碰撞前后小球从斜面顶点飞出后均做平抛运动，落到斜面上，则有lcos θ＝vt，lsin θ＝gt2 联立求得小球飞出斜面顶点时的水平速度大小为v＝·∝ 由题意，可知入射小球发生碰撞前后在斜面上的落点为P′、M′点，被碰小球落点为N′点，则验证两球碰撞过程中动量守恒的表达式为 mAv0＝mAv1＋mBv2 即mA＝mA＋mB。 5.在“验证动量守恒定律”的实验中，某同学用如图甲所示的装置进行了如下的操作： ①先调整斜槽轨道，使其末端的切线水平，在一块平整木板表面先后钉上白纸和复写纸，并将该木板竖直立于靠近槽口处，使小球a从斜槽轨道上某固定点处由静止释放，撞到木板并在白纸上留下痕迹O； ②将木板向右平移适当的距离，再使小球a从原固定点由静止释放，撞在木板上并在白纸上留下痕迹B； ③把半径相同的小球b静止放在斜槽轨道水平段的最右端，让小球a仍从原固定点由静止释放，和小球b相碰后，两球撞在木板上并在白纸上留下痕迹A和C； ④用刻度尺测量白纸上O点到A、B、C三点的距离分别为y1、y2和y3。 (1)上述实验除需测量白纸上O点到A、B、C三点的距离外，还需要测量的物理量有________。 A．木板向右移动的距离L B．小球a和小球b的质量ma、mb C．A、B两点间的高度差Δh D．小球a和小球b的半径r (2)两小球的质量关系：ma________mb(填“＞”“＜”或“＝”)。 (3)用本实验中所测得的量来验证两小球碰撞过程动量守恒，其表达式为________________________。 答案　(1)B　(2)>　(3)＝＋ 解析　(1)小球离开斜槽后做平抛运动，水平位移为L，则小球做平抛运动的时间t＝ 小球的竖直位移y＝gt2 解得v0＝L 根据题意可知，碰撞后小球b的速度最大，则由题意及以上公式可知，小球b下落距离最小，所以落点为A。则碰撞前小球a的水平速度v1＝L 碰撞后小球a的水平速度v2＝L 碰撞后小球b的水平速度v3＝L 如果碰撞过程系统动量守恒，则mav1＝mav2＋mbv3，解得＝＋，所以还应测量的物理量为两小球的质量，故选B。 (2)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ma>mb。 (3)由(1)知用本实验中所测得的量来验证两小球碰撞过程动量守恒，其表达式为＝＋。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 第4节 实验：验证动量守恒定律 1.物理观念：通过实验验证动量守恒定律，加深对动量概念及动量守恒定律适用条件的理解。 2.科学思维：在进行验证实验的过程中，体会模型建构的思想方法和等效替代的物理思想。 3.科学探究：通过小组讨论、设计多个实验方案来验证动量守恒定律，学会从原理、器材、信息收集技术、信息处理方法等各方面来构思实验方案，经历将实际情境转换成解决问题的物理情境过程，提高学生的实验设计能力、动手能力和科学探究能力。 4.科学态度与责任：坚持实事求是的科学态度，在合作过程中既能坚持观点又能积极修正错误，感受科学实验的严谨。在实验过程中，引导学生如实记录实验数据，并能客观地对待所读取的实验数据，培养学生严肃、认真、实事求是的科学态度和科学精神。 1.选取合理的器材，设计合理的方案验证动量守恒定律(重点)。 2.创造系统满足动量守恒的条件(重点)。 3.掌握一维碰撞前、后速度测量的方法，并学会处理数据(重点)。 4.体会将不易测量物理量转化为易测量物理量的实验设计思想(重难点)。 【知识回顾】 第3节 动量守恒定律 一、动量守恒定律 二、对动量守恒定律的理解 (1)系统不受外力或所受合外力为 。 (2)系统所受合外力不为零，但合外力 内力，此时动量近似守恒。 (3)系统所受合外力不为零，但在某一方向上合外力为 ，则系统在该方向上动量守恒。 三、动量守恒定律的应用 【自主预习】 第4节 实验：验证动量守恒定律 一、实验原理：验证 二、实验步骤： 三、实验分析： 四、其他方案： 思考与讨论 1.什么情境才能既满足动量守恒的条件，又比较容易地实现？ 2.怎样才算是验证了动量守恒定律？ 3.如何设计实验方案测出各物体的速度？ 4.怎样减小偶然性？ 课堂小结： 动量守恒定律是自然界的基本守恒定律之一,在高中物理教学中具有重要的地位。本节课主要是引导学生在初步掌握动量守恒定律的基础上,利用已有的知识进行实验设计、实验观察实验分析。学生以小组为单位自主设计实验方案,评价讨论实验方案,修正改进自己的实验方案,在此过程中,帮助学生深刻地理解了动量守恒定律的适用范围和内容。之后,学生小组完成实验操作,亲自动手逐渐揭开现象背后的本质,利用等效思想等验证了动量守恒定律。 1.某实验小组的同学们用图甲装置做验证动量守恒定律实验，即研究两个小球碰撞前、后的动量关系。 (1)实验中，直接测定小球碰撞前、后的速度是不容易的。同学们经过分析讨论，发现________________，因此可以用水平位移间接地来代替小球碰撞前、后的速度。 (2)图甲中O点是小球抛出点在水平地面上的垂直投影点。实验时，先将入射球A(质量为m1)多次从斜轨上S位置由静止释放，找到其平均落地点的位置P(图中未画出)，测量水平位移x1；然后把被碰小球B(质量为m2)静置于轨道的水平末端，再将入射小球A从斜轨上S位置由静止释放，与小球B相撞，找到A、B相碰后各自平均落地点的位置，并分别测量其水平位移x2、x3。多次重复本实验步骤，以减小实验误差。 (3)同学们在实验中正确操作，认真测量，得出的落点情况如图乙所示。通过分析可知，落点P为图乙中的位置________(填“1”“2”或“3”)，若两球相碰前、后的动量守恒，则m1∶m2＝________。 2.在验证动量守恒定律的实验研究过程中：小明用“碰撞实验器”验证动量守恒定律，实验装置如图甲所示，研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。O是小球抛出时球心在地面上的垂直投影点，实验时，小明先让入射小球m1多次从斜轨上S位置由静止释放，找到其落地点的平均位置P，测量平抛的水平位移OP。然后把被碰小球m2静置于水平轨道的末端，再将入射小球m1从斜轨上S位置由静止释放，与小球m2相撞，多次重复实验，找到两小球落地的平均位置M、N。 (1)图乙是小球m2的多次落点痕迹，由此可确定其落点的平均位置对应的读数为________cm。 (2)下列器材选取或实验操作符合实验要求的是________。 A．选用两球的质量应满足m1>m2 B．可选用半径不同的两小球 C．小球m1每次必须从斜轨同一位置释放 D．需用秒表测量小球在空中飞行的时间 (3)在某次实验中，测量出两小球的质量分别为m1、m2，三个落点的平均位置与O点的距离分别为OM、OP、ON。在实验误差允许范围内，若满足关系式________________________，即验证了碰撞前后两小球组成的系统动量守恒。(用测量的物理量表示) 3.如图所示，某同学利用光电门、弹簧、滑块、小球等装置设计了一个实验，验证动量守恒定律。主要操作步骤为： ①将光电门固定在光滑水平桌面上； ②用天平分别测出小滑块a(含挡光片)和小球b的质量ma、mb； ③在桌面右边的地面上铺白纸，白纸上面放上复写纸； ④在a和b之间放一锁定压缩的轻弹簧，将系统静止放置在桌面上； ⑤解除锁定，a、b瞬间被弹开，记录a通过光电门时挡光片的遮光时间t； ⑥记录b落在地面上的点M，用刻度尺测出其到桌面的高度h和落地点M到桌子边缘投影点O′的水平距离s。 已知挡光片宽度为d、重力加速度为g，请回答下列问题： (1)滑块a经过光电门时的瞬时速度v＝________(用题干中字母表示)； (2)小球做平抛运动的初速度v0＝________；(用题干中字母表示)； (3)若a、b在解除锁定过程中动量守恒，需满足的关系式是_____________________(用题干中字母表示)； (4)写出一条减小实验误差的方法：_____________________________________ ________________________________________________________________________。 4.某同学利用如图所示的装置进行“验证动量守恒定律”的实验，在水平槽末端与水平地面间放置了一个斜面，斜面的顶点与水平槽等高且无缝连接，已知入射小球质量为mA，被碰小球质量为mB，小球抛出点在地面上的垂直投影点为O，使入射小球从斜槽上S点由静止滚下，多次实验，得到两球落在斜面上的平均落点M′、P′、N′。用刻度尺测量斜面顶点到M′、P′、N′三点的距离分别为l1、l2、l3。则验证两球碰撞过程中动量守恒的表达式为__________________________(用所测物理量的字母表示)。 5.在“验证动量守恒定律”的实验中，某同学用如图甲所示的装置进行了如下的操作： ①先调整斜槽轨道，使其末端的切线水平，在一块平整木板表面先后钉上白纸和复写纸，并将该木板竖直立于靠近槽口处，使小球a从斜槽轨道上某固定点处由静止释放，撞到木板并在白纸上留下痕迹O； ②将木板向右平移适当的距离，再使小球a从原固定点由静止释放，撞在木板上并在白纸上留下痕迹B； ③把半径相同的小球b静止放在斜槽轨道水平段的最右端，让小球a仍从原固定点由静止释放，和小球b相碰后，两球撞在木板上并在白纸上留下痕迹A和C； ④用刻度尺测量白纸上O点到A、B、C三点的距离分别为y1、y2和y3。 (1)上述实验除需测量白纸上O点到A、B、C三点的距离外，还需要测量的物理量有________。 A．木板向右移动的距离L B．小球a和小球b的质量ma、mb C．A、B两点间的高度差Δh D．小球a和小球b的半径r (2)两小球的质量关系：ma________mb(填“＞”“＜”或“＝”)。 (3)用本实验中所测得的量来验证两小球碰撞过程动量守恒，其表达式为________________________。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $