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 实验探究•方案梳理 实验目的 1.明确验证动量守恒定律的实验思路。 2.掌握同一条直线上运动的两个物体碰撞前后的速度的测量方法。 3.掌握实验操作步骤和所需的实验仪器的性能。 4.知道实验注意事项,会进行误差分析,并在实验中尽量减小误差。 实验原理 在一维碰撞中,与物体运动有关的物理量只有物体的质量和物体的速度,设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'。如果速度方向与规定的正方向一致,则速度取正值,否则取负值。依据动量守恒定律,则有公式m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'成立。 方案1 研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 实验器材 气垫导轨、数字计时器、天平、滑块(两个)、重物、轻质弹簧、细线、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。 实验步骤 1.测质量:用天平测出滑块质量。 2.安装:正确安装好气垫导轨。 3.实验:接通电源,利用配套的数字计时器测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度(①改变滑块的质量。②改变滑块的初速度大小和方向)。 4.验证:一维碰撞中的动量守恒。 数据处理 验证的表达式:m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'。 方案2 研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 实验器材 斜槽、铁架台、小球(两个)、天平、复写纸、白纸、铅垂线等。 实验步骤 1.测质量:用天平测出两小球的质量,并选定质量大的小球为入射小球。 2.安装:按照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,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,如图所示。 6.验证:连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度。将测量数据填入表中。最后代入m1·lOP=m1·lOM+m2·lON,看在误差允许的范围内是否成立。 7.结束:整理好实验器材放回原处。 数据处理 验证的表达式:m1·lOP=m1·lOM+m2·lON。 误差分析 1.系统误差:主要来源于装置本身是否符合要求。 (1)碰撞是否为一维碰撞。 (2)实验是否满足动量守恒的条件,如气垫导轨是否水平,两球是否等大,用长木板实验时是否平衡掉摩擦力。 2.偶然误差:主要来源于质量m和速度v的测量。 注意事项 1.前提条件:碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。 2.方案提醒。 (1)若利用气垫导轨进行验证,调整气垫导轨时,应注意利用水平仪确保导轨水平。 (2)若利用平抛运动规律进行验证,安装实验装置时,应注意调整斜槽,使斜槽末端水平,且选质量较大的小球为入射小球。 实验热点•探究突破 热点1 实验原理与操作 典例剖析 【例1】 某同学设计了一个用打点计时器探究碰撞中的不变量的实验:在小车A的前端粘有橡皮泥,在小车A后连着纸带,推动小车A使之做匀速运动,然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体,继续做匀速运动,他设计的具体装置如图甲所示。 (1)长木板右端下面垫放一小木块的目的是___________。  (2)若已获得的打点纸带如图乙所示,A为运动的起点,各计数点间距分别记为lAB、lBC、lCD和lDE,用天平测得A、B两车的质量分别为mA、mB,则需验证的表达式为___________ 。  答案:(1)平衡摩擦力　(2)mA·lBC=(mA+mB)·lDE 解析:(1)长木板右端下面垫放一小木块,目的是平衡摩擦力,使小车拖着纸带在木板上能做匀速运动。 (2)从题图中可以看出,B到C的时间等于D到E的时间,所以mA·lBC=(mA+mB)·lDE。 学以致用 1.下图为验证动量守恒定律的实验装置,气垫导轨置于水平桌面上,G1和G2为两个光电门,A、B均为弹性滑块,质量分别为mA、mB,且mA大于mB,两遮光片沿运动方向的宽度均为d,实验过程如下: ①调节气垫导轨成水平状态; ②轻推滑块A,测得A通过光电门G1的遮光时间为t1; ③A与B相碰后,B和A先后经过光电门G2的遮光时间分别为t2和t3。 回答下列问题。 (1)实验中选择mA大于mB的目的是　　　　　　　　　。  (2)利用所测物理量的符号表示动量守恒定律成立的式子为　　　　　　　　　　。  答案:(1)保证碰撞中滑块A不反弹 热点2 数据处理与误差分析 典例剖析 【例2】 某同学用图甲所示装置通过大小相同的A、B两小球的碰撞来验证动量守恒定律。图中PQ是斜槽,实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下,落到位于水平地面的记录纸上,留下痕迹,重复上述操作10次,得到10个落点痕迹。再把B球放在水平槽末端,让A球仍从位置G由静止开始滚下,和B球碰撞后,A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹,重复这种操作10次。图中O点是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点。 甲 乙 (1)安装器材时要注意,固定在桌边上的斜槽末端的切线要沿　　　　方向。  (2)小球A的质量m1与小球B的质量m2应满足的关系是 m1　　　　(选填“>”“<”或“=”)m2。  (3)某次实验中,得出小球的落点情况如图乙所示(单位:cm),H、M、N分别是入射小球在碰前、碰后和被碰小球在碰后落点的平均位置(把落点圈在内的最小圆的圆心)。若本次实验的数据很好地验证了动量守恒定律,则入射小球和被碰小球的质量之比m1∶m2=　　　　。  答案:(1)水平　(2)>　(3)4∶1 解析:(1)斜槽末端的切线要沿水平方向,才能保证两个小球离开斜槽后做平抛运动。 (2)为防止碰撞后入射球反弹,入射球的质量应大于被碰球的质量,即m1>m2。 (3)根据实验原理可得m1v0=m1v1+m2v2 由题图乙可知lOM=15.5 cm、lOH=25.5 cm、lON=40.0 cm, 又因下落时间相同,即可求得 m1lOH=m1lOM+m2lON 代入数据可得m1∶m2=4∶1。 特别提醒 利用平抛运动规律验证动量守恒定律必须满足以下条件。 1.轨道末端的切线必须是水平的。 2.入射球每次必须从同一高度滚下。 3.入射球的质量必须大于被碰球的质量。 4.入射球和被碰球的大小必须一致,以保证它们在水平轨道上对心碰撞。 学以致用 2.某同学设计了如图甲所示的装置,通过半径相同的A、B两球的碰撞来研究碰撞过程中的动量守恒,图中PQ是斜槽,QR为水平槽,A球的质量大于B球的质量,实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下,落在位于水平地面上的记录纸上,留下痕迹,重复上述操作10次,得到10个落点痕迹,再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方,让A球仍从位置G由静止开始滚下,和B球碰撞后,A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹,重复这种操作10次。 图中O点是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点,B球落点痕迹如图乙所示,其中米尺水平放置,且平行于G、R、O所在的平面,米尺的零点与O点对齐。 (1)碰撞后B球的水平射程是　　　　 cm。  (2)在以下的选项中,本次实验必须进行的测量是　　　　。  A.水平槽上未放B球时,A球落点位置到O点的距离 B.A球与B球碰撞后,A球落点位置到O点的距离 C.A、B两球的质量 D.G点相对于水平槽面的高度 答案:(1)64.5(64.2~64.8均可)　(2)ABC 解析:(1)由于偶然因素的存在,重复操作时小球的落点不可能完全重合,处理的办法是用一个尽可能小的圆将“所有落点位置”包括在内(其中误差较大的位置可略去),此圆的圆心即可看作小球落点的平均位置,碰撞后B球的水平射程等于圆心到O点的距离,由题图乙可得此射程约为64.5 cm。 (2)由于A、B离开水平槽末端后均做平抛运动,平抛高度相同,运动时间相等,因此可以用平抛运动的水平位移表示小球做平抛运动的初速度,没有必要测量G点相对于水平槽面的高度,故选项A、B均正确,D错误;要验证碰撞前后的动量守恒,必须测量A、B两球的质量,选项C正确。 热点3 实验探究拓展 典例剖析 【例3】 某同学设计了一个验证动量守恒定律的实验装置,如图甲所示。先把白纸和复写纸附在墙上,然后把桌子紧贴墙壁,在水平桌面上放置一个斜面,每次让钢球a从斜面上同一位置滚下,滚过桌边后钢球a与墙碰撞,在纸上留下痕迹(设为O点)。再把桌子搬到离开墙一定距离处,使钢球a仍从原位置由静止滚下,从桌面滚下的钢球a能打在墙上,记录钢球a的落点。重复上述操作10次,得到落点痕迹(设为P点)。再把钢球b放在桌子的边沿,让钢球a仍从原位置由静止滚下,和钢球b 碰撞后,a、b两球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹,重复操作10次,钢球a的落点痕迹为N点,钢球b的落点痕迹为M点,如图乙所示。 (1)对本实验,下列说法正确的是(　　) A.实验过程中实验桌、斜面和记录用的白纸位置若发生移动不会影响实验结果 B.入射球每次从斜面同一位置无初速度释放 C.桌面必须光滑且水平 D.入射球与被碰球满足ma>mb,ra=rb (2)本实验需要验证的关系是　　　　(用题中字母表示)。  解析:(1)实验过程中实验桌、斜面和记录用的白纸位置若发生移动,则对位移的测定均产生影响,从而影响速度,选项A错误。入射球每次从斜面同一位置无初速度释放,才能保证碰撞时的速度不变,选项B正确。桌面不需要光滑,但一定是水平的,保证钢球做平抛运动,选项C错误。入射球的质量大于被碰球的质量,ma>mb,且要发生对心正碰,ra=rb,选项D正确。 (2)钢球从斜面的末端飞出后做平抛运动,由平抛规律得 【实验创新】实验创新的角度 实验创新的角度 实验概述 目的创新 利用冲击摆根据动量守恒定律测弹丸的速度   实验创新的角度 实验概述 器材 创新 选取了两个材质相同、体积不等的立方体滑块A和B,A滑下和B结合成一体,并用数码频闪照相机拍摄碰撞之前和之后的照片,利用刻度尺测量曝光时间内的位移,进行验证   甲   乙 实验创新的角度 实验概述 原理 创新   一根长为L的轻质不可伸缩细线一端拴住质量为mA的小钢球A,细线的另一端固定在悬点O,在最低点的前后放置一光电门,光电门前的水平面上放一质量为mB的金属物块B,物块的上表面中央固定一轻质的遮光片。将A拉起一定高度后释放,在最低点与B碰撞 学以致用 3.某实验小组利用如图所示的实验装置验证动量守恒定律,其实验步骤如下: (1)用游标卡尺测得小钢球A、B的直径均为d,用天平测得小钢球A、B的质量分别为m1、m2; (2)用两条细线分别将小钢球A、B悬挂于同一水平高度,且自然下垂时两球恰好相切,球心位于同一水平线上; (3)将小钢球A向左拉起使其悬线与竖直方向的夹角为α时,由静止释放。与小钢球B碰撞后,测得小钢球A向左摆到最高点时,其悬线与竖直方向的夹角为θ1,小钢球B向右摆到最高点时,其悬线与竖直方向的夹角为θ2。回答下列问题: ①为保证小钢球A碰撞后向左摆动,则A、B两球质量应满足m1　　　　(选填“>”“<”或“=”)m2;  ②若两球碰撞前后动量守恒,则其表达式为_______________ (用所测量的物理量表示)。  解析:(3)①为了使小钢球A碰撞后能够向左反弹,则A、B两球质量应满足m1<m2。 $