第1章 第4节 实验：验证动量守恒定律-【优学精讲】2026-2027学年高中物理选择性必修一同步教参（教科版）

本讲义聚焦“验证动量守恒定律”核心知识点，系统梳理实验原理（一维碰撞中动量关系）、两种实验方案（气垫导轨滑块碰撞、斜槽小球碰撞）及题型示例（原型实验、创新实验），构建从原理到实践再到应用的完整学习支架。 该资料通过双实验方案（如斜槽小球用平抛水平位移替代速度测量）培养科学探究能力，题型融合原型与创新实验强化科学思维（模型建构、科学推理），实验步骤与注意事项强调严谨性体现科学态度。课中辅助教师引导实验操作，课后练习题助力学生巩固知识、查漏补缺。

第4节　实验：验证动量守恒定律 一、实验目的 验证碰撞中的动量守恒。 二、实验原理 在一维碰撞中，测出物体的质量(m1，m2)和碰撞前、后物体的速度(v1，v1′，v2，v2′)，算出碰撞前的动量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的动量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前后动量是否相等。 三、实验器材 方案一　研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 气垫导轨、数字计时器、天平、滑块(两个)、光电门、挡光片、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥。 方案二　研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 斜槽、大小相等质量不同的小球两个、重垂线、白纸、复写纸、天平、刻度尺、圆规、三角板。 四、实验步骤 方案一　研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 本方案中，我们利用气垫导轨来减小摩擦力，利用数字计时器测量滑块碰撞前后的速度。实验装置如图甲所示。可以通过在滑块上添加已知质量的物块来改变碰撞物体的质量。 本实验可以研究以下几种情况。 1.选取两个质量不同的滑块，在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架(图乙)，滑块碰撞后随即分开。 2．在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥(图丙)，碰撞时撞针插入橡皮泥中，使两个滑块连成一体运动。如果在两个滑块的碰撞端分别贴上尼龙搭扣，碰撞时它们也会连成一体。 3．原来连在一起的两个物体，由于相互之间具有排斥的力而分开，这也可视为一种碰撞。在两个滑块间放置轻质弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，并用一根细线将两个滑块固定。烧断细线，弹簧弹开后落下，两个滑块由静止向相反方向运动(图丁)。 方案二　研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 如图甲所示，让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来，与放在斜槽水平末端的另一质量较小的同样大小的小球发生碰撞，之后两小球都做平抛运动。 1．取两个大小相同的小球，测出它们的质量m1、m2。 2．按图甲所示安装好实验装置并使斜槽末端水平。 3．在地上铺一张白纸，在白纸上铺放复写纸。 4．在白纸上记下重垂线所指的位置O(图乙)，它表示两个小球做平抛运动的初始位置的水平投影。 5．先不放被碰小球，让入射小球从斜槽上某一高度处静止滚下，重复10次，用圆规画一个尽可能小的圆，把所有的小球落点圈在里面，圆心就是入射小球发生直接平抛的落地点P(图丙)。 6．把被碰小球放在斜槽的末端，让入射小球从同一高度由静止滚下，使它们发生正碰，重复10次，仿照上一步骤得到入射小球落地点的平均位置M和被碰小球落地点的平均位置N(图丙)。 7．过O和N在纸上作一直线。 8．用刻度尺量出线段OM、OP、ON的长度。 9．把两小球的质量和相应的数值代入m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，看看是否成立。 五、注意事项 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 (1)斜槽末端的切线必须水平； (2)入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放； (3)选质量较大的小球作为入射小球； (4)实验过程中实验桌、斜槽、记录的白纸的位置要始终保持不变。 题型一　教材原型实验 在“验证动量守恒定律”实验中，实验装置如图甲所示，实验原理如图乙所示。 (1)实验室有如下三个条件已知的小球A、B、C，则实验时入射小球应该选取___________(填选项前的字母)。 (2)小球释放后落在复写纸上会在白纸上留下印迹。多次实验，白纸上留下了9个印迹，如果用画圆法确定小球的落点P，如图丙所画的三个圆最合理的是 ___________(填选项前的字母)。 A．A B．B　　　　 C．C (3)关于本实验，下列说法正确的是___________(填选项前的字母)。 A．小球每次都必须从斜槽上的同一位置静止释放 B．必须测量出斜槽末端到水平地面的高度 C．实验中需要用到重垂线 D．斜槽必须足够光滑且末端保持水平 (4)用刻度尺测量M、P、N到O点的距离x1、x2、x3，通过验证等式：_________________________________________________________________________________________________________________________________________ (用题中所给字母表示)是否成立，从而验证动量守恒定律。 [解析]　(1)为了保证入射小球碰撞后不反弹，入射小球的质量要大于被碰小球的质量，为了使两球发生对心碰撞，则要求两球的半径相同，故入射小球选择直径为d1、质量为m2的小球，被碰小球选择直径为d1、质量为m1的小球。 (2)如果采用画圆法确定小球的落点，应该让所画的圆尽可能把大多数落点包进去，且圆的半径最小，这样所画圆的圆心即为小球落点的平均位置。 (3)为了让小球每次平抛的速度相等，实验中需要让小球每次都必须从斜槽上的同一位置静止释放，A正确；两个小球下落时间相同，可以用水平位移代替初速度，故不需要求出落地时间，所以不需要测量高度，B错误；利用重垂线确定抛出点在地面上的投影O点的位置，从而计算出每次平抛的水平位移，C正确；小球每次从斜槽的同一位置滚下，到达斜面底端的速度相同，不需要斜面光滑，为使小球做平抛运动，斜槽的末端需调成水平，D错误。 (4)入射小球碰撞前的速度v0＝＝，碰撞后入射小球和被碰小球的速度分别为v1＝＝，v2＝＝，碰前的动量为m2v0，碰后的动量为m2v1＋m1v2，若等式m2v0＝m2v1＋m1v2成立，则验证了动量守恒定律。将v0、v1、v2的表达式代入上式并化简得m2x2＝m2x1＋m1x3。　 [答案]　(1)B　(2)C　(3)AC　(4)m2x2＝m2x1＋m1x3 (2026·河北沧州市期中)实验小组利用如图所示的装置来完成“验证动量守恒定律”实验。固定有相同遮光条的滑块a、b放置在气垫导轨上，滑块a从光电门1左侧向右运动，与滑块b碰撞后滑块a再次通过光电门1。实验时测得滑块a、b(含遮光条)的质量分别为m1、m2，遮光条的宽度为d。 (1)实验前，取下滑块b，轻推滑块a，若滑块a通过光电门1时遮光条的遮光时间大于通过光电门2时遮光条的遮光时间，则应将气垫导轨左侧调节旋钮适当调 ______________________(选填“高”或“低”)。 (2)实验时测得滑块a第1、2次通过光电门1时遮光条的遮光时间分别为t1、t2，滑块b通过光电门2时的遮光时间为t3，则碰撞前滑块a的速度大小v0＝___________，碰撞后滑块b 的速度大小v2＝___________，若＝___________成立，则说明滑块a、b碰撞过程中动量守恒。(均选用m1、m2、d、t1、t2、t3来表示) [解析]　(1)由题知，滑块a通过光电门1时遮光条的遮光时间大于通过光电门2时遮光条的遮光时间，时间越来越短，说明滑块a向右做加速运动，速度越来越大，此时左高右低，故应将气垫导轨左侧调节旋钮适当调低。 (2)碰撞前滑块a的速度大小v0＝，碰撞后滑块b的速度大小v2＝，碰撞后滑块a向左运动，速度大小v1＝，a、b碰撞过程，取向右为正方向，根据动量守恒有m1v0＝－m1v1＋m2v2，代入三个速度表达式，可得＝－＋，化简得＝－。 [答案]　(1)低　(2)　　－ (1)本实验碰撞前后速度大小的测量采用极限法，v＝＝，其中d为遮光条的宽度。 (2)注意速度的矢量性：规定一个正方向，碰撞前后滑块速度的方向跟正方向相同即为正值，跟正方向相反即为负值，比较m1v1＋m2v2与m1v1′＋m2v2′是否相等，应该把速度的正负号代入计算。 (3)造成实验误差的主要原因是存在摩擦力。利用气垫导轨进行实验，调节时确保导轨水平。 题型二　教材实验创新 某实验探究小组利用如图所示的实验装置研究两物体碰撞过程中的守恒量。 (1)实验步骤如下： A．将白纸、复写纸固定在竖直放置的木板上，用来记录实验中球1、球2与木板的撞击点； B．利用天平测量出1、2两小球的质量分别为m1、m2； C．调节轨道末端水平，木板竖直立在轨道末端右侧并与轨道接触，让入射球1从斜槽上A点由静止释放，与木板撞击点为B′； D．将木板平移到图中所示位置固定； E.让入射球1从斜槽上A点由静止释放，与木板撞击点为P； F．把球2静止放置在水平轨道的末端B点，让入射球1从斜槽上A点由静止释放，确定球1和球2相撞后与木板的撞击点； G．用秒表分别测量两球从B点到各撞击点N、P、M所用的时间t1、t2、t3； H．用刻度尺测得B′与N、P、M各点的高度差分别为h1、h2、h3。 以上步骤中不合理的是___________(填步骤前序号)。 (2)为了减小实验误差，下列做法合理的是___________。 A．减小斜槽对球1的摩擦 B．多次将球1从不同的位置释放 C．保证斜槽末端的切线沿水平方向 D．两球的质量和半径都一样大 (3)把球2放在斜槽末端边缘B处，让球1从斜槽上A处由静止开始滚下，使它们发生碰撞，碰后球1的落点在图中的___________点。 (4)在误差允许的范围内，若满足关系式______________________，即表示两小球组成的系统碰撞过程中动量守恒。 [解析]　(1)小球撞击在木板上时，时间很短，不便测量；根据平抛运动规律，可知小球撞击在木板上时，下落的时间t＝，可把时间转换为高度h，故G不合理。 (2)只要每次将球1从同一位置静止释放，球1到达斜槽末端的速度就相等，斜槽有无摩擦力不影响实验结果，故A、B错误；小球碰前和碰后的速度是根据平抛运动的规律计算，所以斜槽末端的切线必须沿水平方向，故C正确；为了使两球碰撞为一维碰撞，即实现对心碰撞，则球1的直径应等于球2的直径，入射小球的质量应大于被碰小球的质量，故D错误。 (3)由题图可知，两小球撞击在竖直木板上，三次平抛运动的水平位移相等，由平抛运动的规律可知，水平速度越大，竖直方向下落的高度越小；碰后球1的速度减小，则碰后球1落到M点。 (4)根据平抛运动规律，可知小球撞击在木板上时，下落的时间t＝，则可知小球做平抛运动的水平速度v＝＝，代入题中数据得v1＝，v1′＝，v2′＝，若碰撞过程动量守恒，则m1v1＝m1v1′＋m2v2′，联立解得＝＋。 [答案]　(1)G　(2)C　(3)M　(4)＝＋ 某物理兴趣小组设计了如图甲所示的实验装置。在足够大的水平平台上的A点放置一个光电门，其右侧摩擦很小，可忽略不计，左侧为粗糙水平面。当地重力加速度大小为g。采用的实验步骤如下： A．在小滑块a上固定一个宽度为d的窄挡光片； B．用天平分别测出小滑块a(含挡光片)和小球b的质量ma、mb； C．在a和b间用细线连接，中间夹一被压缩了的轻短弹簧(与a、b不连接)，静止放置在平台上； D．细线烧断后，a、b瞬间被弹开，向相反方向运动； E．记录滑块a通过光电门时挡光片的遮光时间t； F．小球b从平台边缘飞出后，落在水平地面的B点，用刻度尺测出平台距水平地面的高度h及平台边缘铅垂线与B点之间的水平距离s； G．改变弹簧压缩量，进行多次测量。 (1)用游标卡尺测量挡光片的宽度，如图乙所示，则挡光片的宽度d＝___________mm。 (2)针对该实验装置和实验结果，a经过光电门的速度大小为___________；b离开平台时的水平速度为___________。 (3)该实验要验证“动量守恒定律”，则只需验证a、b两物体弹开后的动量大小相等，即___________(用上述实验所涉及物理量的字母表示)。 [解析]　(1)20分度游标卡尺的精确值为0.05 mm，由题图乙可知挡光片的宽度d＝3 mm＋16×0.05 mm＝3.80 mm。 (2)滑块a通过光电门时挡光片的遮光时间t，则a经过光电门的速度大小va＝；小球b在空中做平抛运动，则有h＝gt，s＝vbtb，联立解得b离开平台时的水平速度vb＝s。 (3)该实验要验证“动量守恒定律”，则只需验证a、b两物体弹开后的动量大小相等，即mava＝mbvb，可得ma＝mbs。 [答案]　(1)3.80　(2)　s (3)ma＝mbs 1．在“探究碰撞中的不变量”的实验中： (1)实验装置如图甲所示，本实验中，实验必须满足的条件是___________。 A．斜槽轨道必须是光滑的 B．斜槽轨道末端水平 C．入射小球1每次都从斜槽上的同一位置无初速度释放 (2)入射小球1的质量m1＝15 g，被碰小球2的质量m2＝10 g，用x表示小球的水平位移，由实验测得它们在碰撞前、后的x-t图像如图乙所示，可知入射小球1碰撞后的动量m1v1′是___________kg· m/s，入射小球1碰撞前的动量m1v1是 ___________kg· m/s, 被碰撞后小球2的动量m2v2′是___________kg· m/s。由此得出结论___________________________________________________________。 (3)图甲中M、N分别为1、2两球碰后落地的平均位置，P为入射小球1无碰撞落地的平均位置，则实验中要验证的关系是___________。 A．m1·ON＝m1·OP＋m2·OM B．m1·OP＝m1·ON＋m2·OM C．m1·OP＝m1·OM＋m2·ON D．m1·OM＝m1·OP＋m2·ON 解析：(1)该实验利用平抛运动的基本规律求解碰撞前、后的速度，要保证每次小球都做平抛运动，则轨道的末端必须水平，B正确；要保证每次实验碰撞前的速度相同，所以入射小球1每次都要从同一高度由静止滚下，但斜槽轨道可以不光滑，A错误，C正确。 (2)由题图乙可知，碰撞前入射小球1的速度v1＝＝ m/s＝1 m/s，碰撞后，小球1的速度v1′＝＝ m/s＝0.5 m/s，小球2的速度v2′＝＝ m/s＝0.75 m/s，小球1碰撞后的动量m1v1′＝0.015×0.5 kg· m/s＝0.007 5 kg·m/s，小球1碰撞前的动量m1v1＝0.015×1 kg·m/s＝0.015 kg·m/s，小球2碰撞后的动量m2v2′＝0.01×0.75 kg·m/s＝0.007 5 kg·m/s，碰撞前系统总动量p＝m1v1＝0.015 kg· m/s，碰撞后系统总动量p′＝m1v1′＋m2v2′＝0.015 kg·m/s，p′＝p，由此可知碰撞前后两小球的总动量是不变量。 (3)由(2)可得m1v1＝m1v1′＋m2v2′，小球在碰撞前、后均做平抛运动，根据平抛运动规律可知两小球运动的时间相同，上式可转换为m1v1t＝m1v1′t＋m2v2′t，故需验证m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，C正确。 答案：(1)BC　(2)0.007 5　0.015　0.007 5　碰撞前后两小球的总动量是不变量　(3)C 2．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A的前端粘有橡皮泥，设法使小车A做匀速直线运动，然后与原来静止的小车B相碰并黏在一起继续做匀速运动，如图甲所示。在小车A的后面连着纸带，电磁打点计时器的频率为50 Hz。 (1)若已得到打点纸带如图乙所示，并测得各计数点间的距离，则应选图中 ___________段来计算A碰前的速度，应选___________段来计算A和B碰后的速度。 (2)已测得小车A的质量mA＝0.40 kg，小车B的质量mB＝0.20 kg，则由以上结果可得碰前mAvA＋mBvB＝___________kg·m/s，碰后mAvA′＋mBvB′＝___________kg·m/s。 (3)从实验数据的处理结果来看，A、B碰撞的过程中，不变的物理量是___________________________________________________________________。 解析：(1)因为小车A与B碰撞前、后都做匀速运动，且碰后A与B黏在一起，其共同速度比A原来的速度小。所以，应选点迹分布均匀且点距较大的 BC段计算A碰前的速度，选点迹分布均匀且点距较小的DE段计算A和B碰后的速度。 (2)由题图乙可知，碰前A的速度和碰后A、B的共同速度分别为vA＝ m/s＝1.05 m/s，vA′＝vB′＝ m/s＝0.695 m/s，故碰撞前，mAvA＋mBvB＝0.40×1.05 kg·m/s＋0.20×0 kg·m/s＝0.420 kg·m/s，碰撞后，mAvA′＋mBvB′＝(mA＋mB)vA′＝(0.40＋0.20)×0.695 kg·m/s＝0.417 kg·m/s。 (3)数据处理表明，mAvA＋mBvB≈mAvA′＋mBvB′，即在实验误差允许的范围内，A、B碰撞前后动量之和是不变的。 答案：(1)BC　DE　(2)0.420　0.417　(3)动量之和 学科网（北京）股份有限公司 $