1.4.实验：验证动量守恒定律（表格式教学设计）物理人教版2019选择性必修第一册

第四节 实验：验证动量守恒定律（教学设计） 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 第一章 第4节 实验：验证动量守恒定律 教学 目标 物理观念 1. 理解动量守恒定律的适用条件，掌握验证动量守恒的实验原理与方法。 2. 建立并深刻理解动量守恒定律及其适用条件（系统合外力为零）。 科学思维 1. 能通过一维碰撞实验设计，理解用位移替代速度的间接测量思想，掌握矢量方向的处理方法。 2. 运用模型建构（理想化碰撞系统）和科学推理、论证设计实验、分析数据、验证定律、解释误差。 科学探究 1. 能完成气垫导轨、平抛演示仪等多种实验方案，正确测量并处理数据，验证动量守恒。 2. 掌握实验设计、规范操作（测质量、速度）、数据处理（计算比较动量）、得出结论的完整探究过程。 科学态度 与责任 1. 培养严谨的实验操作习惯，认识动量守恒在现实碰撞中的近似成立条件与意义。 2. 培养实事求是记录数据、严谨分析误差、合作交流的科学态度；认识定律的普适性及应用价值。 教学重难点 教学重点： 1. 理解动量守恒定律的实验原理，掌握表达式的物理意义； 2. 掌握气垫导轨、平抛演示仪等实验装置的核心操作，包括创造一维碰撞条件、控制变量、测量速度等； 3. 掌握数据处理与结论论证方法，能够通过计算与图像分析验证动量是否守恒。 教学难点： 1. 精确控制实验条件，尤其是使系统合外力近似为零，避免外力干扰动量守恒的验证； 2. 准确测量碰撞前后的瞬时速度，掌握用位移、时间等间接量替代速度的方法； 3. 理解并合理解释实验误差，区分系统误差与偶然误差，提出有效的改进措施。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 【温故知新】 一、动量守恒定律的适用条件 (1)系统不受外力；(理想条件) (2)系统受到外力，但外力的合力为零；(实际条件) (3)系统所受合外力不为零，但内力>>外力，且作用时间极短（如爆炸、碰撞等)，外力相对来说可以忽略不计，因而系统动量近似守恒；(近似条件） (4)系统所受合外力虽然不为零，但某方向上不受外力（或该方向合力为0），则该方向动量守恒。（某方向动量守恒，系统动量实际不一定守恒）(单向条件) 引导学生回顾动量守恒定律的四种适用条件，理解实验中“近似成立”的情境。 新课讲授一、实验思路 【实验思路】 引导学生联系生活实际思考实验思路 动量守恒定律的适用条件是系统不受外力，或者所受外力的矢量和为0。尽管生活中碰撞的物体所受合外力不能为零，但在这一过程中往往内力远大于外力，我们可以近似认为碰撞满足动量守恒定律的条件。故我们可以通过碰撞实验来验证动量守恒定律。 【实验目的】 实验目的：验证动量守恒，m1v1＋m2v2＝m1v1'＋m2v2' 【问题思考】 问题1：如何处理矢量的方向呢？ 问题2：实验成功的条件是什么？如何设计实验？ 问题3：需要测量哪些物理量呢？ 答案1：规定正方向 答案2：保证碰撞是一维 答案3：利用运动学知识，如匀速运动、平抛运动，借助于斜槽、气垫导轨、打点计时器和纸带等来达到实验目的和控制实验条件。 在一维碰撞(碰撞前后物体都在同一直线上运动)的情况下,令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',如果速度的方向与设定的坐标轴的正方向一致,取正值,反之则取负值。测出m1、m2,v1、v2,v1'、v2',若m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2',那么碰撞中动量守恒。 【定义阐述】 一维碰撞：最简单的碰撞情况—— 两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这条直线运动。这种碰撞叫做一维碰撞。如下图所示： 引导学生理解实验设计思想，探讨需要的条件，明确需测量质量与速度，掌握用位移替代速度的方法。 新课讲授二、实验方案 【方案一 研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒】 测出滑块经过光电门的时间t，挡光条的宽度为L， 则滑块匀速运动的速度为 实验器材：气垫导轨、光电计时器、天平、滑块（两个）、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。 【分类讨论】 不同碰撞情况的实现（若mA=mB） 1.弹性碰撞 一个运动滑块撞击静止滑块。（mAv+mB·0=mA·0+mBv）两者交换速度， 弹性碰撞架 2.非弹性碰撞 运动滑块撞击静止滑块，撞后两者粘在一起。mAv=(mA+mB)v共 3.弹性碰撞 两个静止滑块被弹簧片弹开，一个向左，一个向右 0=mAv-mBv 【实验操作】 实验步骤 (1)用天平测量两滑块的质量m1、m2，填入预先设计好的表格中。 (2)安装光电门，使两个光电门之间的距离约为50cm。 (3)导轨通气后，调节气垫导轨水平，使滑块在气垫导轨上保持不动或匀速直线运动。 (4)使两滑块依次发生上图三种碰撞情况，计算滑块碰撞前后的速度。 (5)改变滑块质量，重复步骤(4)。 (6)整理实验仪器，数据处理，寻找守恒量。 【实验环节】视频观看 【注意事项】 （1）保证是一维碰撞。 （2）气垫导轨是一种精度较高的现代化教学仪器。切忌振动、重压，严防碰伤和划伤，绝对禁止在不通气的情况下将滑行器在轨面上滑磨。调整水平时注意利用水平仪。 （3）由于碰撞的情形很多，猜想的不变量只有在各种方案中都不变才能符合要求，成为实验结论。 （4）考虑到速度的矢量性，记录数据时应规定正方向。若速度方向与规定的正方向相同，则速度取正值，若速度方向与规定方向相反，则取负值。 【方案二 用平抛演示仪装置验证动量守恒定律】 实验装置 实验原理 为防止A球反弹， m1＞m2 测出碰撞前后各球落点到O间的距离xOP、xOM、xON， 各球空中运动时间均相同，设为Δ t，可得速度为 测出小球落点的水平距离可根据平抛运动的规律计算出小球的水平初速度。 本实验设计思想巧妙之处在于用长度测量代替速度测量。 【实验操作】 实验步骤 (1)先用天平称量出两个小球的质量m1、m2。 (2)安装好实验装置，注意使实验器的斜槽末端点的切线水平。 (3)在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸。 (4)在白纸上记下重垂线所指的位置 O，它表示入 射小球 m1碰撞前球心的竖直投影点。 (5)先不放被碰小球，让入射小球从斜槽上同一位 置处静止滚下，重复 10 次，用圆规画尽可能小的 圆把所有的小球落点圈在里面，圆心就是入射小球 不碰撞时的落地点。 （6）把被碰小球放在斜槽轨道末端，让入射小球从同一位置静止滚下，使它们发生正碰，重复 10 次，同理求出入射小球落点的平均位置 M 和被碰小球落点的平均位置N。 (7)用刻度尺测出线段 OM、OP、ON 的长度，把两小球的质量和相应的水平位移数值代入m1OP＝m1OM＋m2ON，看等式是否成立。 【注意事项】 1.斜槽末端要切线要水平； 2.每次小球下滑要从同一位置处由静止释放； 3.要保证对心碰撞，两球必须大小相等； 4. 小球的诸多落点要用用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点都圈在里面，该小圆的圆心即为小球的平均落点 ； 5. 入射小球的质量mA和被碰小球的质量mB的大小关系是mA > mB 。 【深入理解】实验环节视频观看 【方案三 用单摆测速验证动量守恒】 【方案四 利用打点计时器测速验证动量守恒】 测出相邻计数点间的距离Δx，求相邻计数点间的时间Δt， 距离Δx只能取碰前和碰后稳定阶段的数据进行运算求对应速度 分析频闪照片中A、B滑块碰撞前后的位置情况， 设频闪时间间隔为Δ t，可得速度为 学生比较各方案优缺点，理解不同装置中速度测量的替代方法（如平抛水平位移）。学习调节导轨水平、使用光电门测速，理解碰撞类型的动量表达式。掌握确定平均落点的方法。理解单摆模型中速度与摆角的物理关系。学习选取碰撞前后匀速段计算速度。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 【例1】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,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系统碰撞之前m1v1= kg·m/s,系统碰撞之后m1v2+m2v3= kg·m/s。 ④实验结论: 。 答案:见解析 解析:(2)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v1= m/s=0.50 m/s; 滑块1碰撞之后的速度v2= m/s=0.10 m/s; 滑块2碰撞之后的速度v3= m/s=0.60 m/s。 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。 ④在误差允许的范围内,滑块碰撞前后系统的总动量不变。 【例2】2.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= 。 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。 【例3】3.某同学设计了一个用打点计时器验证动量守恒定律的实验:在小车甲的前端粘有橡皮泥,推动小车甲使之做匀速直线运动,然后与原来静止在前方的小车乙相碰并粘合成一体,而后两车继续做匀速直线运动,他设计的具体装置如图所示。在小车甲后连着纸带,打点计时器打点频率为50 Hz,长木板一端下面垫着小木片用以平衡摩擦力。 (1)若已得到打点纸 段来计算甲的碰前速度,应选 段来计算甲和乙碰后的共同速度(以上两空均选填“AB”“BC”“CD”或“DE”)。 (2)已测得小车甲的质量m甲=0.40 kg,小车乙的质量m乙=0.20 kg,由以上测量结果可得:碰前m甲v甲+m乙v乙= kg·m/s;碰后m甲v甲'+m乙v乙'= kg·m/s(结果保留3位有效数字)。 (3)由(2)可得出的结论是 。 答案:(1)BC DE (2)0.420 0.417 (3)在误差允许范围内,碰撞前后两个小车的总动量是守恒的 解析:(1)观察打点计时器打出的纸带,点迹均匀的阶段BC应为小车甲与乙碰前的阶段,CD段点迹不均匀,故CD段应为碰撞阶段,甲、乙碰撞后一起做匀速直线运动,打出间距均匀的点,故应选DE段计算碰后共同的速度。 (2)碰前v甲==1.05 m/s,v乙=0;m甲v甲+m乙v乙=0.420 kg·m/s。 碰后两者速度相同,v甲'=v乙'==0.695 m/s; m甲v甲'+m乙v乙'=0.417 kg·m/s。 (3)在误差允许范围内,碰撞前后两个小车的总动量是守恒的。 板 书 设 计 实验1.4：验证动量守恒定律 一、原理： m₁v₁ + m₂v₂ = m₁v₁' + m₂v₂' 二、方案： 1. 气垫导轨（光电门测速） 2. 平抛演示仪（水平位移代速度） 3. 单摆测速（摆角换算） 4. 打点计时器（纸带测速） 三、关键操作： 一维碰撞 测质量与速度（或替代量） 控制实验条件 四、结论： 在误差允许范围内，系统动量守恒。 课 堂 小 结 通过四种典型实验方案学习验证动量守恒的方法，掌握用位移替代速度的间接测量思想，理解实验中条件控制与误差分析的重要性。 作 业 布 置 1.教材课后练习题 2.同步练习册《实验：验证动量守恒定律》一节 3.任务思考：若碰撞不是一维的，应如何设计实验？ 4.配套同步作业 教 学 反 思 本节课实验方案多样，学生需理解“以位移代速度”的间接测量思想，部分学生在平抛方案中落点定位不准，后续可加强操作训练。误差分析环节学生能提出常见误差，但对系统误差与偶然误差的区分仍模糊，需结合典型数据加深理解。多方案比较有助于拓展学生设计思维，但课时有限，可分组实施不同方案后交流汇报。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $