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

4.实验 验证动量守恒定律 第一章 动量守恒定理 研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 1.实验器材 实验装置如图1所示. 图1 　　气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个，带有挡光片)、物块、弹簧、细 线、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等. 2.实验原理 　　用气垫导轨，一来可以保证是一维碰撞，二来减小阻力；用天平可以测量两个滑块的质量；用光电计时器可以测量滑块碰撞前、后的速度.计算碰撞前、后的总动量，比较其是否守恒. 3.实验步骤 (1)用天平测出滑块及物块的质量. (2)正确安装好气垫导轨(导轨沿水平方向). (3)接通电源，利用配套的数字计时器测出两质量不同的滑块(通过在滑块上添加物块来改变质量)在下面三种情况碰撞前、后的速度. ①用细线将弹簧压缩，放置于两个滑块之间(如图2甲所示)，并使它们静止，然后烧断细线，两个滑块被弹簧弹开，随即向相反方向运动. ②在两个滑块的碰撞端的端面上装上弹性碰撞架(如图2乙所示)，可以得到能量损失很小的碰撞. ③在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥，碰撞时撞针插入橡皮泥中，使两个滑块连成一体运动(如图2丙所示)，这样可以得到能量损失很大的碰撞. 图2 4.数据测量 (1)质量的测量：用天平测量质量. (2)速度的测量：利用公式v＝.式中Δx为滑块上挡光片的宽度，Δt为计时器显示的挡光片经过光电门时对应的时间. 5.误差分析 (1)系统误差：存在阻力、气垫导轨不水平. (2)偶然误差：时间、距离、质量等测量值存在误差. 研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 1.实验器材 实验装置如图3所示. 图3 斜槽、小球(两个)、天平、刻度尺、复写纸、白纸等. 2.实验原理 　　让质量为m1的小球A从斜槽上滚下，跟放在斜槽末端的质量为m2(m1＞m2)的小球B发生正碰，则根据动量守恒定律应有m1v1＝m1v'1＋m2v'2，因小球从斜槽末端飞出后做平抛运动，由平抛运动知识可知，两小球下落高度相同，运行时间相同，由x＝vt可知，小球碰撞前、后速度之比等于它们的水平位移之比. 3.实验步骤 (1)用天平测出两小球的质量，并将质量大的小球作为小球A. (2)按照如图3所示装置安装器材，调整、固定斜槽，使斜槽的末端水平(若放在斜槽末端的小球B不滚动，则已经水平). (3)白纸在下，复写纸在上，且在适当位置铺放好，记下铅垂线所指位置O，表示入射小球碰撞前球心的竖直投影点. (4)不放被碰小球B，让入射小球A从斜槽上某固定高度处由静止自由滚下，重复10次，用圆规画尽量小的圆把小球A所有的落点都圈在里面，圆心P即为小球A落点的平均位置. (5)将被碰小球B放在斜槽末端(球心尽量位于O点上方)，使入射小球A从斜槽上同一高度处由静止滚下，使它们发生碰撞，重复实验10次，用步骤(4)的方法，标出碰撞后小球A落点的平均位置M和被碰小球B落点的平均位置N，如图4所示. 图4 (6)连接ON，测量线段OP、OM、ON的长度，将测量数据记录下来，最后代入m1·＝m1·＋m2·，看在误差允许的范围内是否成立. (7)整理实验器材放回原处. 4.注意事项 (1)斜槽末端必须水平. (2)入射小球的质量一定要大于被碰小球的质量，且两小球的半径一定要相等. (3)入射小球每次都从斜槽同一位置由静止滚下. (4)实验过程中实验桌、斜槽、白纸的位置始终保持不变. 5.误差分析 (1)系统误差：两小球不是一维碰撞. (2)偶然误差：小球质量、水平位移的测量值误差；入射小球未从同一高度或未能无初速度滚下. 验证动量守恒定律的其他模型 1.利用小车在光滑长木板上碰撞另一辆静止的小车实现一维碰撞 实验装置如图所示. 　　实验器材：光滑长木板、打点计时器、纸带、刻度尺、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥等. 质量的测量：用天平测量质量. 　　速度的测量：v＝，式中Δx是纸带上两计数点间的距离，可用刻度尺测量.Δt为小车经过位移Δx所用的时间，可由打点间隔算出.这个方案适合探究碰撞后两物体结合为一体的情况. 2.利用等长悬线悬挂等大的小球实现一维碰撞 实验装置如图所示. 实验器材：带细线的摆球(两个)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等. 质量的测量：用天平测量质量. 速度的测量：可以测量小球被拉起的角度，根据机械能守恒定律算出小球碰撞前对应的速度；测量碰撞后两小球分别摆起的角度，根据机械能守恒定律算出碰撞后对应的两小球的速度. 不同碰撞情况的实现：用贴胶布的方法增大两小球碰撞时的能量损失. 某实验小组验证动量守恒定律的装置如图甲所示. 甲 (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，如图乙所示直径d＝　　　　cm. 乙 1.66 由游标卡尺的精确度为0.1 mm可知，两个小球直径为d＝16 mm＋6× 0.1 mm＝16.6 mm＝1.66 cm. (2)用天平测出小球的质量，有孔的小球质量记为m1，另一个小球质量记为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米的细线穿过小球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. 甲 乙 (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，通过与拉力传感器连接的计算机实时显示拉力大小；读出碰撞前和碰撞后拉力的两个峰值F1和F2，通过推导可以得到m1碰撞前瞬间速度大小为v1＝　　　　　　　　；同样方式可以得到m1碰撞后瞬间速度大小v3.(已知当地的重力加速度为g) 　 根据题意，由牛顿第二定律有F1－m1g＝m1，整理可得m1碰撞的瞬间速度大小为v1＝. (6)测出小球m2做平抛的水平位移s和竖直位移h，已知当地的重力加速度为g，则m2碰撞后瞬间速度v2＝　　　　. s　 小球做平抛运动，则在水平方向上有s＝v2t，在竖直方向h＝gt2，解得v2＝s. (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. m1v1＝m1v3＋m2v2 由于本实验中m1＞m2，则碰撞后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，可说明m1与m2碰撞过程中动量守恒. $