1.第4节 实验：验证动量守恒定律-【正禾一本通】2025-2026学年高二物理选择性必修第一册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

本高中物理讲义聚焦验证动量守恒定律这一核心实验，承接动量守恒定律的理论学习，通过构建“测量质量与速度—计算碰撞前后总动量—比较守恒关系”的实验思路，提供气垫导轨（光电门测速度）和斜槽小球碰撞（平抛位移代速度）两种方案作为学习支架，涵盖物理量测量、数据分析及误差控制等关键环节。 资料以科学探究为主线，两种实验方案覆盖不同情境，渗透转化法（用位移代速度）等科学思维，结合典例分析与创新设计（如力传感器应用），培养严谨的实验态度与误差分析能力。课中助力教师清晰呈现实验逻辑，课后学生可通过例题巩固数据处理与方案优化，有效查漏补缺。

第4节　实验：验证动量守恒定律 [学习目标] 1．结合动量守恒定律的适用条件、表达式认识实验思路、物理量的测量及数据分析方法。 2．通过具体案例体会实验设计技巧、操作步骤、注意事项等，借助数据处理验证动量守恒定律。　 1．实验思路 两物体发生一维碰撞，测两物体的质量m1和m2，碰撞前后物体的速度v1、v2、v1′、v2′，算出系统碰撞前的总动量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的总动量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前后系统的总动量是否相等。 2．进行实验 方案一：用气垫导轨验证动量守恒 (1)实验器材 气垫导轨、数字计时器、天平、滑块(两个)、质量已知的物块(若干)、轻质弹簧、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。 (2)实验过程 ①安装：正确安装好气垫导轨，如图所示。 ②物理量的测量 质量的测量：用天平测量两滑块的质量m1、m2。 速度的测量：v＝ ，式中的d为滑块上挡光片的宽度，Δt为数字计时器显示的滑块上的挡光片经过光电门的时间。 ③实验：接通电源，利用配套的数字计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度(通过在滑块上添加质量已知的物块来改变滑块的质量；改变滑块的初速度大小和方向)。 ④验证：m1v1＋m2v2＝。 在挡光片宽度d一定的前提下，可将表达式变为验证＋＝＋。 方案二：利用斜槽末端小球碰撞验证动量守恒 (1)实验器材 斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等。 (2)实验过程 ①测质量：用天平测出两小球的质量，并选定质量大(选填“大”或“小”)的小球为入射小球。 ②安装：按照如图甲所示安装实验装置。调整固定斜槽使斜槽底端水平。 ③铺纸：白纸在下，复写纸在上且在适当位置铺放好。记下铅垂线所指的位置O。 ④放球找点：不放被撞小球，每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，重复10次。用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面。图乙中圆心P就是小球落点的平均位置。 ⑤碰撞找点：把被撞小球放在斜槽末端，每次让入射小球从斜槽同一高度(同步骤④中的高度)自由滚下，使它们发生碰撞，重复实验10次。用步骤④的方法，标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N，如图乙所示。 ⑥验证：两小球做平抛运动时下落的高度相同，在空中运动的时间也就相同，根据水平方向的速度v＝可知，可用小球水平位移代替小球碰撞前后的速度，即要验证的表达式为m1·OP＝ 。 ►实验条件 由于发生碰撞时作用时间很短，内力远大于外力，因此可近似认为满足动量守恒定律。 ►注意事项 (1)利用气垫导轨进行实验时，一定要将导轨调整水平。 (2)给滑块的初速度应沿着气垫导轨的方向。 (3)滑块上的挡光片宽度适当小些，这样测量的速度会更精确。 ►误差来源 (1)测量滑块的质量、碰撞前后的速度时存在误差。 (2)滑块和导轨之间并不是光滑的，存在摩擦力。 ►器材要求 入射小球的质量m1应大于被撞小球的质量m2，以防止入射小球反弹。 ►注意事项 (1)安装斜槽时，斜槽末端的切线必须水平。 (2)入射小球每次都必须从斜槽上同一位置由静止开始滚下。 ►误差来源 (1)两小球的碰撞没有保证“水平”和“正碰”。 (2)实验过程中斜槽、白纸的位置发生变化。 (3)小球质量的测量、落点距离的测量存在误差。 ►科学方法：转化法，即将不易测量的物理量转换为易测量的物理量。 判断下列说法是否正确 (1)利用气垫导轨做实验时，导轨必须调整至水平状态。(√) (2)利用气垫导轨做实验时，入射滑块的质量一定要大于被碰滑块的质量。(×) (3)利用斜槽做实验时，斜槽的轨道必须是光滑的。(×) (4)利用斜槽做实验，入射小球每次都要从同一高度由静止滚下。(√) (5)入射小球释放的高度越低，两球碰撞时的内力越小，误差越小。(×) 用气垫导轨上滑块的碰撞验证动量守恒 【典例1】 (2025·江苏淮安期中)用如图所示的装置可以验证动量守恒定律，在滑块A和B相碰的端面上装有弹性碰撞架，它们的上端装有等宽的挡光片。 (1)打开气泵，调节气垫导轨，轻推滑块，当滑块上的挡光片经过两个光电门的挡光时间________时，可认为气垫导轨水平。 (2)该装置在用于验证“动量守恒定律”时________(选填“需要”或“不需要”)测出挡光片的宽度d。 (3)滑块A置于光电门1的左侧，滑块B静置于两光电门之间，给A一个向右的初速度，先后通过光电门1和2的时间分别为Δt1、Δt2，滑块B通过光电门2的挡光时间为Δt3。为使滑块A能通过光电门2，mA应________(选填“小于”“等于”或“大于”)mB。 (4)若两滑块碰撞过程中动量守恒，则满足表达式____________________(用字母mA、mB、Δt1、Δt2、Δt3表示)。 (5)改变实验装置用于验证动量定理，拿下滑块A、B，把气垫导轨左端抬高，使导轨与水平面夹角为30°，然后固定导轨。让滑块A从光电门1的左边由静止滑下，通过光电门1、2的时间分别为ΔtA1、ΔtA2，通过光电门1和2之间的时间间隔为t，重力加速度为g，如果关系式____________________(用字母d、ΔtA1、ΔtA2、t及g表示)在误差范围内成立，则表明动量定理成立。 解析：(1)打开气泵，调节气垫导轨，轻推滑块，当滑块上的挡光片经过两个光电门的挡光时间相等时，可认为气垫导轨水平。 (2)实验要验证的关系式为mAv1＝mAv2＋mBv3，其中v1＝，v2＝，v3＝ ，则mA＝mA＋mB，即＝＋，所以该实验不需要测出挡光片的宽度d。 (3)为使滑块A能通过光电门2，则应防止滑块A碰后反弹，滑块的质量mA应大于mB。 (4)由上述分析可知，若两滑块碰撞过程中动量守恒，则满足表达式＝＋。 (5)滑块通过两光电门时的速度分别为v1′＝ ，v2′＝，若满足动量定理，则有mg sin 30°·t＝mv2′－mv1′，即gt＝－。 答案：(1)相等　(2)不需要　(3)大于　(4)＝＋　(5)gt＝－ 用斜槽末端小球的碰撞验证动量守恒 【典例2】 (2025·湖南期中联考)某实验小组用如图所示装置来验证动量守恒定律。 (1)本实验必须满足的条件是________。 A．利用秒表测量小球在空中飞行的时间 B．入射小球A每次从斜槽同一位置静止滚下且斜槽末端水平 C．斜槽轨道光滑 (2)现有两个半径相等而质量不等的小球可供选择，小明同学建议选择质量大的球作为入射小球A，这样做的理由是______________________。 (3)若已知小球A的质量m1是小球B的质量m2的2倍，测得各落点到小球在斜槽末端白纸上的投影点O的长度OM、OP、ON分别为x1、x2、x3，则当关系式____________(用x1、x2、x3表示)成立时，可证明两球碰撞过程动量守恒。 解析：(1)本实验是通过平抛运动的基本规律验证动量是否守恒，可以不测量时间，通过位移关系就可验证动量是否守恒，A错误；要保证每次碰撞前的速度相同，则入射小球A要从同一位置由静止滚下，而要保证小球离开轨道后做平抛运动，则需保证斜槽末端水平，对斜槽是否光滑没有要求，B正确，C错误。 (2)入射小球质量应大于被撞小球质量，以防止碰撞后入射小球反弹。 (3)设碰撞前瞬间小球A的速度为v0，碰撞后瞬间小球A和小球B速度大小分别为v1、v2，根据动量守恒可得m1v0＝m1v1＋m2v2，由于两小球在空中下落高度相同，所用时间相等，则有v0＝＝ ，v1＝＝，v2＝＝,，联立可得m1x2＝m1x1＋m2x3，结合m1＝2m2可得2x2＝2x1＋x3。 答案：(1)B　(2)防止碰后A球反弹　(3)2x2＝2x1＋x3 实验的改进与创新 1．实验装置的拓展与创新。 如用弹性碰撞架、撞针和橡皮泥、弹簧等改变气垫导轨上两滑块的碰撞类型；用悬挂小球间的碰撞验证动量守恒等。 2．实验器材及测量方法的改变。 除了用光电门测速度，用平抛运动的规律测速度，还可以用打点计时器测速度，用频闪照片测速度等。 【典例3】 (2025·湖南长沙期中)某实验小组验证动量守恒定律的装置如图甲所示。 (1)选择两个半径相等的小球，其中一个小球有经过球心的孔，用游标卡尺测量两小球直径d，如图乙所示，d＝________ cm。 (2)用天平测出小球的质量，有孔的小球质量记为m1，另一个小球记为m2。 (3)将铁架台放置在水平桌面上，上端固定力传感器，通过数据采集器和计算机相连；将长约1 m的细线穿过小球m1的小孔并挂在力传感器上，测出悬点到小球上边缘的距离L。 (4)将小球m2放在可升降平台上，调节平台位置和高度，保证两个小球能发生正碰；在地面上铺上复写纸和白纸，以显示小球m2落地点。 (5)拉起小球m1由某一特定位置静止释放，两个小球发生正碰，通过与力传感器连接的计算机实时显示拉力大小；读出拉力碰前和碰后的两个峰值F1和F2，通过推导可以得到m1碰撞前瞬间速度大小v1＝________，同样方式可以得到碰撞后瞬间速度大小v3。(已知当地的重力加速度为g) (6)测出小球m2做平抛运动的水平位移s和竖直位移h，已知当地的重力加速度为g，则m2碰后瞬间速度v2＝________ 。 (7)数据处理后若满足表达式：__________ (已知本次实验中m1>m2，速度用v1、v2、v3表示)，则说明m1与m2碰撞过程中动量守恒。 解析：(1)由游标卡尺的精确度为0.1 mm可知，两小球直径为d＝16 mm＋6×0.1 mm＝16.6 mm＝1.66 cm。 (5)根据题意，由牛顿第二定律有 F1－m1g＝m1 整理可得v1＝ 。 (6)小球m2做平拋运动，则在水平方向上有s＝v2t 在竖直方向上有h＝gt2，解得v2＝s 。 (7)由于本实验中m1>m2，则碰后m1不反弹，若碰撞过程中动量守恒，规定向右为正方向，则有 m1v1＝m1v3＋m2v2 若实验数据满足上式，可说明m1与m2碰撞过程中动量守恒。 答案：(1)1.66　(5) (6)s 　(7)m1v1＝m1v3＋m2v2 (2025·海南海口期中)如图1所示为“验证碰撞中动量守恒”实验的装置示意图： (1)实验中小球A质量为mA，小球B质量为mB，它们的关系应该是mA______mB。 (2)实验前需要进行如下调节： A．固定斜槽时，应使斜槽末端________。 B．调整小支柱到槽口的距离和高度时要达到以下要求：当入射小球放在斜槽末端，被碰小球放在支柱上时，调整支柱，使两球接触，并且使两球的球心在同一水平直线上。 (3)实验中应使A球每次均在斜槽上________从静止释放。 (4)已用游标卡尺测得小球直径为2.14 cm，实验中小球的落点情况如图2所示，入射小球A与被碰小球B的质量比为mA∶mB＝3∶2，则实验中碰撞结束时刻两球动量大小之比pA∶pB＝________。 解析：(1)实验中小球A是入射小球，小球B是被碰小球，为避免碰撞后小球反弹，入射小球质量应大于被碰小球质量，即mA>mB。 (2)固定斜槽时，应使斜槽末端水平，使小球水平抛出，做平抛运动。 (3)实验中应使A球每次均在斜槽上同一位置从静止释放，保证每次碰撞前的速度都一样。 (4)因为小球直径为2.14 cm，由题意可知＝2.14 cm 两球下落的高度相同，则下落时间相等，且p＝mv＝ ，所以两球的动量之比为 ＝ ＝ ＝× ＝ 。 答案：(1)＞　(2)水平　(3)同一位置　(4)1∶2 学科网（北京）股份有限公司 $