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

第一章 动量守恒定律 物理选择性必修第一册 •人教版2019 第四节 实验：验证动量守恒定律 学习目标 01 02 03 04 物理观念 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 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 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 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。 重点难点 教学重点 教学难点 掌握原理、核心操作（创造条件、测速）、数据处理与论证结论。 精确控制实验条件（尤其合外力近似为零）、精确测量瞬时速度、深刻理解和合理解释实验误差。克服这些难点是成功验证定律、培养学生科学探究能力的关键。 温故而知新 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) 温故而知新 1.内容:如果一个系统不受外力，或者所受外力的矢量和为0，这个系统的总动量保持不变。这就是动量守恒定律。 2.表达式： ① P= P′ p1+p2=p1′+p2′ m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′ 系统作用前的总动量等于作用后的总动量 ②Δp=0 系统总动量的变化量为零 ③Δp1=-Δp2 或m1Δv1＝－m2Δv2 系统内一个物体的动量变化与另一物体的动量变化等大反向 实验思路 01 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 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？如何测量？ 确定研究对象，通过实验测量两个碰撞物体的质量(m1、m2)及碰撞前、后瞬间的速度(v1、v1'、v2、v2')，根据动量守恒定律，应满足m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'。质量可以用天平直接测量，速度可以用打点计时器、数字计时器(光电门)或速度传感器等进行测量。 规定正方向 实验目的：验证动量守恒 保证碰撞是一维 m1v1＋m2v2＝m1v1'＋m2v2' 实验原理   A B m1 m2 m1 m2 m1 m2 A B 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。 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： v1 m1 v2 m2 v1 m1 v2 = 0 m2 v1 = 0 m1 v2 = 0 m2 弹簧 v1 m1 v2 m2 实验方案 02 方案一 研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 气垫导轨 碰撞滑块 光电门 L 挡光条 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 导轨水平 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。 不同碰撞情况的实现（若mA=mB） 一个运动滑块撞击静止滑块。（mAv+mB·0=mA·0+mBv）两者交换速度， 两个静止滑块被弹簧片弹开，一个向左，一个向右 0=mAv-mBv 运动滑块撞击静止滑块，撞后两者粘在一起。mAv=(mA+mB)v共 弹性碰撞 非弹性碰撞 弹性碰撞 弹性碰撞架 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。 1.若用光电门测速度，则如何才能保证碰撞前、后的瞬时速度与通过光电门的速度相同？ 答案　气垫导轨工作时可以忽略摩擦力，将气垫导轨调成水平后，碰撞前、后的滑块均做匀速直线运动，这样就可以通过光电门获得碰撞前、后的瞬时速度。 2.如果滑块碰撞后的速度方向与原来的方向相反，应该怎样记录？为什么？ 答案　因为动量守恒定律是一个矢量式，因此需要选取一个正方向，速度方向与正方向相同时记录为正值，与正方向相反时记录为负值。 思考与讨论 3.为了准确地测出通过光电门的瞬时速度，对安装在滑块上的挡光片的宽度有什么要求？为什么？ 答案　由v=可知，Δt越小，这段时间内的平均速度就越接近瞬时速度，因此挡光片的宽度应适当小一些，但也不能太小，否则测量挡光片的宽度d时也会带来较大的相对误差。 弹性碰撞实验 完全非弹性碰撞实验 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 斜槽（末端水平） 两个小球 复写纸 白纸 天平、刻度尺、重垂线 实验原理 h 斜槽末端切向水平 为防止A球反弹， m1＞m2 落点确定： P M N O m1 m2 圆心即为小球平均落点 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。 圆心即为小球平均落点 实验步骤 (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。 圆心即为小球平均落点 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 。 如果是弹碰呢？ 实验视频 方案三 用单摆测速验证动量守恒 碰后粘到一起 θ β 设摆长为L=l+r，测出摆角θ和β，可得碰前与碰后速度 两绳等长 （保证对心碰撞） A B A B 悬点间距离为小球直径（保证对心碰撞）   方案四 利用打点计时器测速验证动量守恒 橡皮泥 测出相邻计数点间的距离Δx，   求相邻计数点间的时间Δt， 光滑桌面效果通过平衡摩擦力获得 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 方案五 利用频闪照片测速验证动量守恒 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   总结提升 03 总结提升 实验：验证动量守恒动量定律 物理量的测量 方案设计 实验思路 方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 方案二：用平抛演示仪装置验证动量守恒定律 方案三：单摆测速验证动量守恒 方案四：用打点计时器验证动量守恒。 数据分析 1．现利用如图所示的装置验证动量守恒定律。在图中，气垫导轨上有A、B两个滑块，滑块A右侧带有弹簧片，滑块B左侧也带有一弹簧片，上面固定完全相同的遮光片，光电计时器（未完全画出）可以记录遮光片通过光电门的时间。将光电门2固定在滑块B的右侧，光电门1固定在滑块A的右侧，现给滑块A向右的初速度，使它与静止的B相碰。碰前与光电门1相连的光电计时器显示的时间是t1，碰后与光电门1相连的光电计时器显示的时间是t2，与光电门2相连的光电计时器显示的时间是t3，滑块A的质量m1，滑块B的质量m2。 （1）要验证碰撞中动量守恒，需要验证的表达式为_______（m1、m2、t1、t2、t3用表示）． （2）要验证碰撞是弹性碰撞，需要验证的表达式为_______（t1、t2、t3用表示）． （3）假设碰撞是弹性碰撞，为保证碰后A向左运动，则m1______m2（填“>”“<”或“=”）． (2025·贵阳市高二期末)如图所示为某同学做“验证动量守恒定律”的实验装置示意图。图中带刻度尺的气垫导轨右支点固定，左支点高度可调，装置上固定有计时功能的电子计时器(图中未画出)。完成下列实验步骤。 例1 (1)为减小重力对实验的影响，开启气泵后，调节气垫导轨的左支点，使轻推后的滑块能在气垫导轨上近似做　　　　　运动；  (2)用天平称量滑块A、B的质量m1和m2； (3)将滑块A、B置于导轨上的确定位置； 匀速直线 为了减小重力对实验的影响，实验中应调节气垫导轨，使导轨保持水平；轻推滑块让滑块能在气垫导轨上近似做匀速直线运动，则说明导轨调到水平。 (4)在A和B之间水平放置一轻弹簧，使弹簧 处于压缩状态，用卡销卡住A和B； (5)放开卡销，同时启动电子计时器，记下 滑块A运动至挡板1的时间和滑块B运动至挡板2的时间； (6)重复步骤(3)(4)(5)多次，计算滑块A运动至挡板1的时间的平均值t1和滑块B运动至挡板2的时间的平均值t2； (7)由气垫导轨上所带的刻度尺读出__________________________和_____ ______________________；  滑块A左端到挡板1的距离L1 滑块 B右端到挡板2的距离L2 根据实验原理可知，本实验中需要测量弹簧弹开后两滑块的速度大小，由题意可知，根据滑块滑到挡板的平均速度来表示弹开后的速度，故需要测量两滑块分别到左右挡板的距离L1、L2，由平均速度公式求出弹簧弹开后两滑块的速度大小。 (8)检查关系式　　　　　　[用m1、m2、t1、t2和(7)读出的物理量符号表示]是否近似成立；如近似成立，则(在滑块和气垫导轨的摩擦力很小的前提下)验证了动量守恒定律。  m2=m1 根据平均速度公式可知：vA=，vB= 设向右为正方向，应验证的表达式为：m2vB-m1vA=0 代入速度可得：m2=m1。 (2026·襄阳市第四中学高二检测)某同学用图甲实验装置验证动量守恒定律。已知入射小球质量为m1，被碰小球质量为m2，记录小球抛出点在水平地面上的竖直投影点O，测出碰撞前后两小球的平均落地点的位置M、P、N与O的距离分别为x1、x2、x3，如图乙。 (1)若入射小球半径为r1，被碰小球半径为r2，则要求　　　。  A.m1>m2，r1>r2 B.m1<m2，r1<r2 C.m1>m2，r1=r2 D.m1<m2，r1=r2 例2 C (2)入射小球从轨道上滑下时，轨道的粗糙程度对实验结论________(选填“有影响”或“无影响”)。  无影响 入射小球从轨道上滑下时，轨道的粗糙程度对实验结论没有影响，小球滑到水平轨道末端时速度相同即可； (3)若两球碰撞时的动量守恒，应满足的关系式为_______________(用题中所给物理量的符号表示)。  m1x2=m1x1+m2x3 碰撞前小球m1落点为P，碰撞后小球m1落点为M，小球m2落点为N；由于两小球在空中下落的高度相同，所以平抛运动时间相同，设为t，由题意 得v=，v1=，v2= 根据动量守恒定律可得m1v=m1v1+m2v2 若两球碰撞时的动量守恒，应满足的关系式为m1x2=m1x1+m2x3 (4)某实验小组用另一组装置验证动量守恒定律，如图丙所示，在水平槽末端与水平地面间放置了一个斜面，斜面的顶点与水平槽等高且无缝连接，使入射小球仍从斜槽上S点由静止滑下，多次实验，得到两球落在斜面上的平均落点M'、P'、N'。用刻度尺测量斜面顶点到M'、P'、N'三点的距离分别为l1、l2、l3，则验证两球碰撞过程中动量守恒的表达式为__________ ______________(用所测物理量的符号表示)。  m1= m1+m2 拓展　如图所示，在水平槽右端适当距离处竖直固定一木板，使入射小球从斜槽上S点由静止滑下，重复上述实验的操作，得到两球落在木板上的平均落点M″、P″、N″。用刻度尺测量木板上与水平槽上小球球心等高的点O到M″、P″、N″三点的高度差分别为y1、y2、y3。则验证两球碰撞过程 中动量守恒的表达式为　　 　　(用所测物理量的符号表示)。  =+ 用图示的装置来验证动量守恒定律。质量为mA的钢球A用细线悬挂于O点，质量为mB的钢球B放在离地面高度为H的小支柱N上，O点到A球球心的距离为L。使细线在A球释放前伸直且线与竖直方向的夹角为α，A球释放后摆到最低点时恰与B球碰撞，碰撞后， 例3 A球把轻质指示针OC推到与竖直方向的夹角为β处，B球落到地面上，地面上铺有一张盖有复写纸的白纸D。保持α角不变，多次重复上述实验，白纸上记录了B球的多个落点。 (1)图中s应是B球初始位置到　　　　　　　　的水平距离。  B球平均落地点 从题图中可以看出，s应是B球初始位置到B球平均落地点的水平距离。 (2)为了验证两球碰撞过程中动量守恒，应测量的物理量有s和　　　　　　　 　　(用字母表示)。 mA、mB、α、β、H、L 还应测的物理量是A球的质量mA、B球的质量mB、A球开始的摆角α和向左摆动的最大摆角β、B球下落的高度H、O点到A球球心的距离L。 (3)用测得的物理量表示碰撞前后A、B两球的动量： pA=　　　　 　　，pA'=　　　 　　　； pB=0，pB'=　　　 　(当地的重力加速度为g)。  mA mA mBs 根据机械能守恒定律可得 mAgL(1-cos α)=mA A球碰前的动量pA=mAvA 联立解得pA=mA 根据机械能守恒定律可得 mAgL(1-cos β)=mAvA'2 A球碰后的动量pA'=mAvA' 联立解得pA'=mA B球做平抛运动，由平抛运动的规律可得 H=gt2，s=vBt B球碰后的动量pB'=mBvB 联立解得pB'=mBs。 返回 Lavf58.29.100 Lavf58.29.100 Lavf58.12.100 $