1.4 实验：验证动量守恒定律 讲义 -2026-2027学年高二上学期物理人教版选择性必修第一册

本讲义聚焦高中物理验证动量守恒实验核心知识点，系统梳理实验原理（验证碰撞前后总动量相等），围绕测速关键，介绍打点计时器、光电门、平抛法三种方法，重点解析平抛法（高考常考）及气垫导轨、斜槽滚球两大实验方案，构建从原理到操作的学习支架。 该资料亮点在于实验方案步骤清晰、易错点突出，课堂练习结合天宫课堂情境，实验报告单含数据记录与误差分析。通过平抛射程替代速度培养科学思维，最小圆法确定落点提升科学探究能力，误差分析强化科学态度，课中辅助教学，课后助力学生查漏补缺。

验证动量守恒实验 1． 知识点 1. 验证动量守恒实验： 实验核心原理 验证系统碰撞前后总动量是否相等： 若碰撞前有一个物体静止（常见情形）：​ 核心思想：实验的关键是测出速度。高中阶段测量速度有三种方式： 方案一：打点计时器（纸带测速） 方案二：光电门（挡光片测速） 方案三：平抛法（用水平射程替代速度）—— 高考最常考！ 方案一：气垫导轨（或打点计时器）+ 光电门 实验步骤： 调节气垫导轨水平（或把木板垫高平衡摩擦力）。 测出两滑块的质量 m1、m2。 让滑块1以一定速度碰静止的滑块2，通过光电门分别测出碰前和碰后两滑块经过挡光片的时间 Δt。 利用 （d为挡光片宽度）算出各时刻速度。 验证 。 易错点： ①挡光片宽度 d要足够小，否则测得的是平均速度而非瞬时速度（系统误差）。 ②气垫导轨必须调水平，否则重力的分量会影响动量守恒条件（系统合外力不为零）。 ③如果使用打点计时器，要先接通电源再释放滑块；释放时手要稳，避免初速度不为零。 方案二：斜槽滚球法（平抛法）—— 重点！重点！重点！ 实验装置：入射球 m1从斜槽某高度滚下，与静止在斜槽末端的被碰球 m2碰撞，两球从同一高度做平抛运动落在同一水平地面上。 实验原理（核心逻辑）： 因为两球从同一高度平抛，飞行时间相同 。 因此 水平速度与水平射程成正比：。 所以验证 可等价转化为验证： 其中： OP：入射球单独从斜槽滚下（不碰撞）时的水平射程（对应碰前速度 v1） OM：入射球碰后的水平射程（对应碰后速度 v1′） ON：被碰球碰后的水平射程（对应碰后速度 v2′） 注意：O点是斜槽末端正下方在地面上的投影点（即球做平抛运动的起点在地面上的竖直投影）。 实验步骤（必背！）： 用天平测出两球质量 m1、m2（要求 m1>m2，防止入射球反弹）。 安装斜槽，调整斜槽末端水平（这是成功的关键！）。 在地面上铺白纸和复写纸，记录落点位置。 不放被碰球，让入射球从斜槽上同一位置由静止滚下，重复多次，用最小圆法确定落点位置 P 放上被碰球，让入射球从同一位置由静止滚下，碰撞后两球分别落在 M（入射球碰后）和 N（被碰球碰后），重复多次，分别确定落点位置。 测量 OP、OM、ON 的长度。 验证 。 易错点： ①斜槽末端必须水平，若不水平，两球做斜抛运动，飞行时间不相等，不能用射程替代速度。 ②斜槽本身不需要光滑，只要每次从同一位置释放，阻力做功相同，到达底端速度就相同。摩擦力只影响速度大小，不影响验证的成立。 ③入射球质量必须大于被碰球质量，若 m1<m2​，碰撞后人射球会反弹，反弹后做平抛的射程在左侧（无法用 OP、OM、ON的正向关系表示），需要额外处理。 ④O点的确定方法：O点是斜槽末端正下方在地面上的投影点（用铅垂线确定），不是斜槽在水平面上的投影。 ⑤碰撞前入射球的速度要恒定，每次从同一高度（同一位置）由静止释放，确保碰前速度相同。 二．课堂练习 1. 两种实验方案： 6．在第四次“天宫课堂”中，航天员演示了动量守恒实验。受此启发，某同学使用如图甲所示的装置进行了碰撞实验，气垫导轨两端分别安装a、b两个位移传感器，a测量滑块A与它的距离xA，b测量滑块B与它的距离xB。部分实验步骤如下： ①测量两个滑块的质量，分别为200.0g和400.0g； ②接通气源，调整气垫导轨水平； ③拨动两滑块，使A、B均向右运动； ④导出传感器记录的数据，绘制xA、xB随时间变化的图像，分别如图乙、图丙所示。 回答以下问题： 1. 从图像可知两滑块在t=_________s时发生碰撞； 1. 滑块B碰撞前的速度大小v=_____________ m/s （保留2位有效数字）； 1. 通过分析，得出质量为200.0g的滑块是________（填“A”或“B”）。 【答案】(1)1.0 (2)0.20 (3)B 【详解】（1）由图像的斜率表示速度可知两滑块的速度在时发生突变，即这个时候发生了碰撞； （2）根据图像斜率的绝对值表示速度大小可知碰撞前瞬间B的速度大小为 （3）由题图乙知，碰撞前A的速度大小，碰撞后A的速度大小约为，由题图丙可知，碰撞后B的速度大小为，A和B碰撞过程动量守恒，则有 代入数据解得 所以质量为200.0g的滑块是B。 1. 实验小组采用图甲所示常规方案验证动量守恒定律，实验完成后，该小组将水平木板改为竖直木板再次实验，如图乙所示，B、B′两点在同一水平线上，A、B两小球半径均相同，质量分别为mA和mB。 1. 组装实验装置时，斜槽末端______（选填“需要”或“不需要”）保持水平。 1. 选择A、B两小球的原则是______。 A．应选择质量大、体积小的刚性小球进行实验，两球质量满足mA>mB B．为了防止小球打坏木板，应选择质量小、体积大的软质小球，实验两球质量满足mA<mB 1. 正确选择器材后采用图甲所示装置，实验中还必须测量的物理量是OM、OP 和ON。 1. 正确选择器材后采用图乙所示装置实验，下列说法正确的是______。 A．必需测量B′N、B′P和B′M的距离 B．必需测量BN、BP和BM的距离 C．若，则表明此碰撞动量守恒 D．若，则表明此碰撞动量守恒 【答案】 需要 A AD/DA 【详解】（1）[1]本实验需要小球从斜槽末端离开后做平抛运动，所以斜槽末端需要保持水平。 （2）[2]为了使两球碰撞后A球不反弹，两球质量满足mA>mB，为了减小空气阻力对实验的影响，两小球都应该选择质量大、体积小的刚性小球进行实验。 故选A。 （3）[3]采用图甲装置实验时，两小球下落高度相同，所以做平抛运动的时间相同，而两小球碰撞前后的速度分别正比于对应的水平位移大小，所以在验证动量守恒表达式时可直接代入水平位移来间接代替速度，则实验中还必须测量的物理量是OM、OP和ON的距离。 （4）[4]采用图乙装置实验时，设A与B碰撞前瞬间的速度为v1，碰后瞬间二者的速度分别为v1′和v2′，根据动量守恒定律和机械能守恒定律分别得 联立解得 ， 两小球做平抛运动的水平位移相同，水平初速度与运动时间成反比，而下落高度越大运动时间越长，则可知P点是A单独抛出时在竖直木板上的撞击点，M、N点分别是A与B碰撞后在各自在竖直木板上的撞击点，根据平抛运动规律可得 ， ， 联立可得 若在误差允许范围内成立，则表明此碰撞动量守恒，且要验证上式，必需测量B′N、B′P和B′M的距离。 故选AD。 附录1：学生用实验报告单 实验报告单一：气垫导轨（或打点计时器）＋光电门验证动量守恒定律 班级：__________　姓名：__________　学号：__________　日期：__________ 同组人：____________________　指导教师：____________________ 一、实验目的 1. 验证一维碰撞过程中系统动量守恒。 2. 学习用光电门（或打点计时器）测量物体速度的方法。 3. 体会“挡光片宽度足够小”对瞬时速度测量的意义。 二、实验原理 碰撞前滑块2静止，滑块1以速度 与滑块2碰撞。若系统动量守恒，则（学生填入）： 用光电门测挡光时间Δt，挡光片宽度为 d，则（学生填入）： 因此只需测出 以及碰撞前后各滑块经过光电门的挡光时间，即可验证动量守恒。 三、实验器材 气垫导轨、气源、滑块、挡光片、光电门、数字计时器、天平、游标卡尺、砝码、细线等。 （若用打点计时器：打点计时器、纸带、刻度尺、低压交流电源、小车、木板等。） 四、实验步骤 1. 用天平测出两滑块质量 m1、m2。 2. 用游标卡尺测出挡光片宽度 d。 3. 调节气垫导轨水平；若用打点计时器，则平衡摩擦力。 4. 让滑块1以一定速度碰静止的滑块2。 5. 用光电门分别测出碰前滑块1的挡光时间 Δt1，碰后滑块1、滑块2的挡光时间Δt1’、Δt2’。 6. 计算各速度，比较碰前总动量与碰后总动量。 7. 重复实验3次，取平均或分别验证。 五、数据记录与处理 已知量： m1:__________ kg；m2:__________ kg；d:__________ m。 速度方向规定：与滑块1初速度同向为正，反向为负。 表1-1　光电门挡光时间记录 次数 碰前滑块1挡光时间Δt1/s 碰后滑块1挡光时间Δt1’ /s 碰后滑块2挡光时间 Δt2’/s 1 2 3 平均 表1-2　速度与动量计算 次数 v1/(m∙s-1) v1’/(m∙s-1) v2’/(m∙s-1) 碰前总动量P前 /(kg∙m∙s-1) 碰后总动量P后 /(kg∙m∙s-1) 相对误差 δ 1 2 3 平均 若使用打点计时器： 纸带粘贴区／选点测速记录区： ______________________________________________________________________ 六、实验结论 在误差允许范围内，若 ，则说明： ______________________________________________________________________。 七、误差分析 1. 气垫导轨未调水平：__________________________________________________。 2. 挡光片宽度 d偏大：______________________________________________。 3. 时间测量、质量测量误差：____________________________________________。 4. 碰撞不是严格一维：__________________________________________________。 5. 其他：______________________________________________________________。 教师评价：预习____ 操作____ 数据____ 处理____ 结论____ 总分____　签字：__________ 实验报告单二：斜槽滚球法（平抛法）验证动量守恒定律 班级：__________　姓名：__________　学号：__________　日期：__________ 同组人：____________________　指导教师：____________________ 一、实验目的 1. 验证碰撞过程中系统动量守恒。 2. 掌握用平抛运动水平射程替代水平速度的方法。 3. 学会用最小圆法确定平均落点。 二、实验原理 因为两球从同一高度平抛，飞行时间相同 。 因此 水平速度与水平射程成正比：。 所以验证 可等价转化为验证： 其中： OP：入射球单独从斜槽滚下（不碰撞）时的水平射程（对应碰前速度 v1） OM：入射球碰后的水平射程（对应碰后速度 v1′） ON：被碰球碰后的水平射程（对应碰后速度 v2′） 三、实验器材 斜槽、入射球 m1、被碰球、天平、白纸、复写纸、铅垂线、刻度尺、圆规、重锤等。 要求：m1>m2。 四、实验步骤 1. 用天平测出两球质量 m1、m2。 2. 安装斜槽，调节斜槽末端水平。 3. 用铅垂线确定斜槽末端正下方在地面上的投影点O。 4. 铺白纸和复写纸。 5. 不放被碰球，让入射球从斜槽上同一位置由静止滚下，重复多次，用最小圆法确定落点 P。 6. 放上被碰球，让入射球从同一位置由静止滚下，碰撞后重复多次，分别确定入射球落点 M和被碰球落点N。 7. 测量OP、OM、ON的长度。 8. 代入公式验证动量守恒。 五、数据记录与处理 已知量： m1=__________ kg；m2=__________ kg； 斜槽末端离地高度 h=__________ m（可不参与计算，仅作参考）。 表2-1　落点距离记录 次数 OP/cm OM/cm ON/cm m1∙OP m1∙OM+m2∙ON 相对误差δ 1 2 3 平均 落点位置记录图 请在方框内画出 O、P、M、N 的大致位置，并标出最小圆圆心。 ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 六、实验结论 在误差允许范围内，若 ，则说明： ______________________________________________________________________。 七、误差分析 1. 斜槽末端未调水平：__________________________________________________。 2. 每次释放位置不同：__________________________________________________。 3.O点确定不准：____________________________________________________。 4. 落点确定存在偶然误差：______________________________________________。 5. 入射球质量小于被碰球质量，导致反弹：________________________________。 6. 其他：______________________________________________________________。 教师评价：预习____ 操作____ 数据____ 处理____ 结论____ 总分____　签字：__________ 附录2：实验报告总评表（可选） 评价项目 优秀 良好 合格 待改进 实验预习与原理理解 仪器安装与操作规范 原始数据记录真实性 数据处理与误差分析 实验结论与思考题 教师评语：_______________________________ 签字：__________　日期：__________ 学科网（北京）股份有限公司 $