1.4 实验：验证动量守恒定律 学习任务单 -2025-2026学年高二上学期物理人教版选择性必修第一册

高中物理人教版选择性必修第一册 第一章《动量守恒定律》 第4节 实验：验证动量守恒定律 学习任务单 课题 第4节 实验：验证动量守恒定律 学习目标 1.选取合理的器材，设计合理的方案验证动量守恒定律。 2.掌握一维碰撞前、后速度测量的方法，并学会处理数据。 3.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。 课前学习任务 一、研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 实验原理 (1)用天平测量两滑块的质量m1、m2。 (2)调整导轨使之处于水平状态，并使数字计时器系统正常工作。 (3)利用数字计时器测量滑块碰撞前后的速度。 (4)验证表达式m1v1′＋m2v2′＝m1v1＋m2v2，是否成立。 二、研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 1.实验原理：如图甲所示。让一个质量较大的小球从斜槽上某一位置由静止滚下，与放在斜槽末端的另一个大小相同、质量较小的小球发生正碰，之后两小球都做平抛运动。 2.质量的测量：用天平测量质量。 3.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。如果用小球的飞行时间作时间单位，那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平速度。因此，只需测出两小球的质量m1、m2和不放被碰小球时入射小球落地时飞行的水平距离sOP，以及碰撞后入射小球与被碰小球落地时飞行的水平距离sOM和sON。 4.数据分析：若在实验误差允许的范围内，m1sOP＝m1sOM＋m2sON，即可验证动量守恒定律。 课中学习任务 1.两实验小组想验证动量守恒定律，第一组采用传统的如图甲所示的“碰撞实验装置”验证两小球碰撞前后的动量是否守恒；第二组设计了如图乙所示利用固定了两个光电门的气垫导轨验证两滑块碰撞前后的动量是否守恒。 (1)(4分)①关于第一组实验，下列说法正确的是 ________ 。 A．斜槽轨道必须光滑 B．斜槽轨道的末端切线无须保持水平 C．入射球A和被碰球B的质量必须相等 D．入射球A每次必须从斜槽轨道的同一位置由静止释放 ②验证第一组实验的同学们用托盘天平测出了小球A的质量记为m1，小球B的质量记为m2，用毫米刻度尺测得O、M、P、N各点间的距离(图丙中已标出)，则验证两小球碰撞过程中动量守恒的表达式为________________。(用题中涉及的物理量符号x1、x2、x3表示，表达式应为最简形式) (2)①第二组实验的同学用如图丁所示的螺旋测微器测量遮光板宽度d＝________mm。 ②第二组实验中测得P、Q的质量分别为m1和m2，左、右遮光板的宽度分别为d1和d2。实验中，用细线将两个滑块连接使轻弹簧压缩且静止，然后烧断细线，轻弹簧将两个滑块弹开，测得它们通过光电门的时间分别为t1、t2，则动量守恒应满足的关系式为________________(用t1、t2、d1、d2、m1、m2表示)。 ③若左、右遮光板的宽度相同，上一问中动量守恒应满足的关系式简化为______________(用题中字母表示)。 2.如图甲，某实验小组采用常规方案验证动量守恒定律。实验完成后，该小组又把水平木板改为竖直木板再次实验，如图乙所示。图中小球半径均相同、质量均已知，且mA＞mB，B、B′ 两点在同一水平线上。 (1)若采用图甲所示的装置，实验中还必须测量的物理量是______________________________________________。 (2)若采用图乙所示的装置，下列说法正确的是________。 A.必需测量BN、BP和BM的长度 B.必需测量B′N、B′P和B′M的长度 C.若＝＋，则表明此碰撞动量守恒 D.若＝＋，则表明此碰撞动量守恒 课中学习任务答案 1.答案　 (1)①D　②m1x2＝m2(x1＋x2＋x3)　(2)①6.860　②m1＝m2　③m1t2＝m2t1 解析　(1)①本实验只需要每次到达斜槽末端的速度大小相同，斜槽轨道是否光滑对实验无影响，故A错误；本实验需要小球碰后做平抛运动，为保证初速度水平，斜槽末端必须保持水平，故B错误；本实验对小球质量的要求是A球质量大于B球质量，故C错误；每次从同一位置静止释放A球可以保证A球到达斜槽末端时速度大小不变，故D正确。 ②动量守恒的表达式为m1v0＝m1v1＋m2v2，即m1＝m1＋m2， 化简可得m1x2＝m2(x1＋x2＋x3) (2)①螺旋测微器读数为6.5 mm＋0.01×36.0 mm＝6.860 mm ②动量守恒应满足的关系式为m1v1－m2v2＝0，则m1＝m2 ③若左、右遮光板的宽度相同，动量守恒应满足的关系式简化为m1t2＝m2t1. 2.答案　(1)OM、OP和ON的长度　(2)BC 解析　(1)如果采用题图甲所示装置，由于小球平抛运动的时间相等，故可以用水平位移代替速度进行验证，故需要测量OM、OP和ON的长度。 (2)采用题图乙所示装置时，利用水平距离相等，根据下落的高度可确定飞行时间，根据高度表示出对应的水平速度，故需测量B′N、B′P和B′M的长度，故选项B正确；小球碰后做平抛运动，由vP＝＝x知，速度越大，下落高度越小，不放被碰小球时，落点为P，放被碰小球后，两球相碰，落点分别为M和N，根据动量守恒定律有mAv＝mAv1＋mBv2，其中v＝，v1＝，v2＝，代入上式有＝＋，故选项C正确。 课后学习任务 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.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)(4分)滑块a经过光电门时的瞬时速度v＝________(用题干中字母表示)； (2)(4分)小球做平抛运动的初速度v0＝________；(用题干中字母表示)； (3)(4分)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)(4分)写出一条减小实验误差的方法：_______________________________________。 课后学习任务答案 1.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.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)。 学科网（北京）股份有限公司 $