第1章 第4节 实验：验证动量守恒定律（正文）（Word版）-【未来密码】2026-2027学年高中物理选择性必修第一册关键能力提升同步学案（人教版）

该高中物理导学案聚焦“验证动量守恒定律”实验，通过打台球碰撞、斜槽小球运动等问题导入，引导学生从动量守恒条件出发，设计实验方案，连接理论知识与实验操作，构建从原理理解到方案实施的学习支架。 资料以多方案探究为特色，涵盖气垫导轨滑块碰撞、斜槽末端小球碰撞及创新实验拓展，结合典例（如天宫课堂实验）和对标训练，培养学生科学探究能力（实验设计、数据处理）、科学思维（误差分析、模型建构）及物理观念（守恒思想），助力学生掌握实验方法，提升严谨求实的科学态度。

4.实验:验证动量守恒定律 【定标-核心素养】关键能力与核心素养 考情揭秘 直击能力 定标素养 基本考查点 实验原理及方案设计； 实验操作及数据处理. 1.掌握系统动量守恒条件，并能依据守恒条件合理设计验证动量守恒定律的实验方案. 2.能合理选择实验器材，科学开展实验操作，严谨记录实验数据，通过数据的分析、修正，得出实验结论，撰写实验报告。用学过的物理术语、图表等形式，交流实验的探究过程与结论. 3.掌握实验数据处理、误差分析的方法，坚持实事求是的原则，在合作交流中既能坚持观点又能修正错误. 4.通过不同实验方案的验证过程，体会动量守恒的科学性、普遍性．同时，通过实验体会系统动量守恒的近似条件，进而提炼出物理学中抓住主要因素忽略次要因素的思维方法． 1.通过实验，既能验证动量守恒定律的科学性，也能加深对物体相互作用过程中系统的动量守恒的理解， 感受守恒思想的重大意义，逐步完善运动与相互作用的观念. 2.基于实验原理创新实验方案，建构模型、分析综合、推理论证，利用可靠的实验事实、合理的质疑批判、科学的检验修正，既可以验证动量守恒定律，也能有效提升科学思维. 3.亲身经历动量守恒定律的实验验证过程，设计实验方案、获取实验数据、得出结论并做出解释，适时开展交流、评估、反思，进而掌握科学探究的方法，提升科学探究的能力. 4.通过实验过程，认识科学本质，体会探究乐趣．逐步提升探究自然的内在动力，培养严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度. 重点及难点 创新实验方案，验证动量守恒定律；掌握实验的设计、操作、分析等探究方法；体会实验探究中的守恒思想. 题型及难度 实验题为主， 难度中等. 【本课时主要内容】 实验:验证动量守恒定律 【答案】外力　矢量和　m1v1'+m2v2'　 探究1　研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒 【问题导入】 打台球时，两个台球在发生碰撞时，相互作用力很大，作用时间极短，摩擦力等外力的作用可以忽略，如果将两个台球看作一个系统，则碰撞前后系统的动量守恒。因此，可以利用碰撞过程来验证动量守恒定律，那么，该如何设计实验，需要测量哪些物理量呢？ 【思考与讨论】 1.两个滑块在气垫导轨上的碰撞过程，动量是否守恒？ 气垫导轨上阻力很小，可以忽略，碰撞过程动量守恒。 2.气垫导轨是否需要调成水平？如果需要，你能想出哪些办法？ 需要，滑块静止或滑块上的挡光板通过两个光电门的时间相等。 3.两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架（如图所示），滑块碰后随即分开，需要记录哪些数据？如果碰后速度方向与原方向相反，应该怎样记录？ 分别记录碰撞前后两滑块上的挡光板通过光电门的时间。 如果碰后速度方向与原方向相反，需要选取正方向。 4.两个滑块相互碰撞的端面分别装上撞针和橡皮泥（如图所示），碰后它们会连成一体，应该怎样记录？ 分别记录碰撞前后两滑块上的挡光板通过光电门的时间 5.两个滑块间放置轻弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，并用一根细绳将两个滑块固定（如图所示）。烧断细绳，两个滑块由静止向相反的方向运动，应该怎样记录？ 分别记录碰撞前后两滑块上的挡光板通过光电门的时间。 6.实验探究： (1)质量的测量：用天平测量． (2)速度的测量：v＝，式中的d为滑块上挡光板的宽度，Δt为数字计时器显示的滑块上的挡光板经过光电门的时间． (3)碰撞情景的实现：如图所示，利用弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥设计各种类型的碰撞，利用在滑块上加重物的方法改变碰撞物体的质量． (4)器材：气垫导轨、数字计时器、滑块(带挡光板)两个、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥、天平． (5)验证的表达式：m1v1′＋m2v2′＝m1v1＋m2v2(注意速度的矢量性) 【典例1】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200.0 g和400.0 g; 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. 　典例1 回答以下问题: (1) 从图像可知两滑块在t=　　　　s时发生碰撞.  (2) 滑块B碰撞前的速度大小v=　　　　m/s (保留2位有效数字).  (3) 通过分析,得出质量为200.0 g的滑块是　　　　(选填“A”或“B”).  【必备知识】动量守恒定律. 【关键能力】　 【答案】(1) 1.0　(2) 0.20　(3) B　 【解题思路】 　1. 利用气垫导轨进行实验,要注意调节导轨水平. 2. 如果利用光电门计时,碰撞前、后速度大小的测量采用极限法,v==,其中d为挡光板的宽度. 【对标训练1】某实验小组利用气垫导轨及手机软件“掌声计”(可以连续记录声响产生的时刻,未画出)验证碰撞过程中动量守恒,导轨右端O处有挡板,实验装置如图甲所示.该实验小组选用完全相同的3个滑块(每个滑块上都有粘扣,可使滑块碰撞后粘在一起)进行实验,主要的实验步骤如下: 　对标训练1 ① 调整底脚使气垫导轨水平,打开充气机,将滑块1、2放置在导轨的A、B位置,使OA=AB,打开“掌声计”,轻推滑块3,直至1与挡板发生碰撞,关闭“掌声计”,“掌声计”记录的时间如图乙所示; ② 改变1、2滑块在长木板上放置的位置,始终使OA=AB,重复①步骤,获取多组数据. 根据实验,完成下列问题: (1) 由图乙可知,滑块在B、A之间运动的时间Δt1=　　　　s,滑块在A、O之间运动的时间Δt2=　　　　s.(均保留2位有效数字)  (2) 本实验中　　　　(选填“需要”或“不需要”)测量并记录AB和OA的长度x.  (3) 若实验所测物理量满足关系式　　　　　　,则验证了两物体碰撞前、后动量守恒(用所测物理量的字母表示).  【答案】(1) 4.0(或4.1)　6.0　(2) 不需要 (3) = 　 【解题思路】 【易错提醒】求解速度时,需要找到对应的时间间隔,而不是时刻. 探究2　研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒 【问题导入】 碰撞是自然界中常见的现象，碰撞的形式也是各式各样，能够利用 其他符合动量守恒条件的情形来验证碰撞中的动量守恒定律？如图所示。 【思考与讨论】 1.两个小球在斜槽末端的碰撞过程，动量是否守恒？ 两个小球碰撞时相互作用力很大，摩擦力等外力的作用可以忽略，则碰撞前后系统的动量守恒。 2.斜槽末端是否需要调成水平？如果需要，你能想出哪些办法？ 需要，将小球放在斜槽末端时，如果小球多个位置静止不动，则斜槽末端水平。 3.两个小球的质量、半径有没有什么要求？如果有，需要满足什么要求？ 有要求，两个小球半径相等，被撞小球的质量一定要小于撞击小球的质量。 4.需要记录哪些数据？需不需要测量平抛的时间或者斜槽末端的高度，为什么？ 需要记录碰撞前后小球的落点，测出落点到平抛起点的水平距离。 不需要测量平抛的时间或者斜槽末端的高度，因为平抛的时间相等，小球平抛的水平距离之比就等于它们的水平速度之比． 5.多次实验，小球的落点未必在同一个点，那么，该如何确定落点呢？ 用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面。圆心位置就是小球落点的平均位置。 6.实验探究：如图甲所示，让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来，与放在斜槽末端的另一质量较小的同样大小的小球发生正碰，之后两小球都做平抛运动． (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)测速度：①原理：由于两小球下落的高度相同，所以它们的飞行时间相等，那么小球飞出的水平距离之比就等于它们的水平速度之比． ②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。 ③放球找点：不放被撞小球，每次让入射小球从斜槽上某一位置由静止滚下，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。 ④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位置由静止滚下，使它们发生碰撞，重复实验10次。用步骤③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，如图乙所示 。 (3)器材：斜槽、两个大小相等而质量不等的小球、重垂线、白纸、复写纸、刻度尺、天平、圆规． (4)验证的表达式：m1OP＝m1OM＋m2ON. 【典例2】某同学用如图所示的装置验证动量守恒定律.将斜槽轨道固定在水平桌面上,轨道末段水平,右侧端点在水平木板上的垂直投影为O,木板上叠放着白纸和复写纸.实验时先将小球a从斜槽轨道上Q处由静止释放,a从轨道右端水平飞出后落在木板上;重复多次,测出落点的平均位置P与O点的距离xP.将与a半径相等的小球b置于轨道右侧端点,再将小球a从Q处由静止释放,两球碰撞后均落在木板上;重复多次,分别测出a、b两球落点的平均位置M、N与O点的距离xM、xN. 　典例2 完成下列填空: (1) 记a、b两球的质量分别为ma、mb,实验中须满足条件ma　　　　(选填“>”或“<”)mb.  (2) 如果测得的xP、xM、xN、ma 和mb在实验误差范围内满足关系式　　　　　　　　　,则验证了两小球在碰撞中满足动量守恒定律.实验中,用小球落点与O点的距离来代替小球水平飞出时的速度,依据是  　.  【必备知识】动量守恒定律,平抛知识. 【关键能力】 【答案】(1) >　(2) maxP=maxM+mbxN　小球离开斜槽末端后做平抛运动,竖直方向高度相同,故下落时间相同,水平方向匀速运动,小球水平飞出时的速度与平抛运动的水平位移成正比　 【解题思路】 　利用平抛运动规律进行验证,碰撞的两小球应保证“水平”和“正碰”,因此,必须满足以下条件: 1. 两小球半径相同,且选质量较大的小球作为入射小球. 2. 斜槽末端的切线必须水平. 3. 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. 【对标训练2】某同学用如图所示装置做“验证动量守恒定律”实验.图中O是斜槽水平末端在记录纸上的垂直投影点,P为未放被碰小球时入射小球的平均落点,M为与被碰小球碰后入射小球的平均落点,N为被碰小球的平均落点. 　对标训练2 (1) 两小球质量的关系应满足m1　　　　(选填“>”“<”或“=”)m2.  (2) 实验中,除测量平抛射程OM、ON、OP外,还必须测量的物理量有　　　　.  A. 入射小球质量m1 和被碰小球质量m2 B. 抛出点距地面的高度H C. S离水平轨道的高度h (3) 若测量的物理量在误差允许范围内满足关系式　　　　　　　　,则入射小球和被碰小球碰撞前、后的总动量守恒.  (4) 若进一步研究该碰撞前、后系统的机械能是否守恒,还需要判断关系式　　　　　　　　(用图中字母或线段表示)是否成立.  【答案】　(1) >　(2) A　(3) m1·OP=m1·OM+m2·ON　(4) m1·OP2=m1·OM2+m2·ON2 (或OP+OM=ON)　 【解题思路】 【易错提醒】该实验无须直接测量速度,而是巧妙地用距离代替速度.而要准确测量距离,就需要多次测量,必须确保入射小球每次都从斜槽同一高度由静止释放. 探究3　实验创新与拓展 【问题导入】改革传统物理实验方案，创新设计实验器材，优化实验效果，既可以强化实验基本原理，又 可以打破常规、提升思维，而创新没有固定的模式和万能的方法，你能提出怎样的创新实验方案呢？ 【思考与讨论】 1.利用如图所示的装置验证动量守恒定律．ABC是光滑的轨道，光电门1与光电门2固定在轨道上，实验中使用的小球a的质量为m，小球b的质量为3m，两球直径相等。将小球b静置于轨道上的位置O2，使小球a从位置O1释放，a先后通过光电门1的挡光时间分别为Δt1与Δt2，b通过光电门2的挡光时间为Δt3.若a、b碰撞过程动量守恒，则必须满足的关系式为____________________． 2.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. 在小滑块a上固定一个宽度为d的窄挡光片，用天平分别测出小滑块a(含挡光片)和小球b的质量ma、mb。则 ①该实验要验证“动量守恒定律”，则只需验证a、b弹开后的动量大小相等，即__ma___＝__mbs____ (用上述实验所涉及物理量的字母表示)；　 ②若该实验的目的是求弹簧的最大弹性势能，则弹簧的弹性势能为_____＋_____ (用上述实验所涉及物理量的字母表示)； 【典例3】某同学为了验证对心碰撞过程中的动量守恒定律,设计了如下实验:用纸板搭建如图所示的滑道,使硬币可以平滑地从斜面滑到水平面上,其中OA为水平段.选择相同材质的一元硬币和一角硬币进行实验. 　典例3 测量硬币的质量,得到一元和一角硬币的质量分别为m1 和m2 (m1>m2).将硬币a放置在斜面上某一位置,标记此位置为B.由静止释放a,当a停在水平面上某处时,测量a从O点到停止处的滑行距离OP.将硬币b放置在O处,左侧与O点重合,将a放置于B点由静止释放.当两枚硬币发生碰撞后,分别测量a、b从O点到停止处的滑行距离OM和ON.保持释放位置不变,重复实验若干次,得到OP、OM、ON的平均值分别为s0、s1、s2. (1) 在本实验中,a选用的是　　　　(选填“一元”或“一角”)硬币.  (2) 碰撞前,a到O点时速度的大小可表示为　　　　(设硬币与纸板间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g).  (3) 若a、b碰撞过程中动量守恒,则= 　　　　(用m1 和m2 表示),然后通过测得的具体数据验证硬币对心碰撞过程中动量是否守恒.  (4) 由于存在某种系统或偶然误差,计算得到碰撞前、后a动量变化量大小与b动量变化量大小的比值不是1,写出一条产生这种误差可能的原因:  　.  【答案】(1) 一元　(2) 　(3) 　(4) 测量误差,因为无论再精良的仪器总是会有误差的,不可能做到绝对准确(或碰撞过程中,我们认为内力远大于外力,动量守恒,实际碰撞过程中,两个硬币组成的系统合外力不为0)　 【解题思路】 【必备知识】动量守恒定律,动能定理,运动学知识. 【关键能力】　 　1. 不同的实验创新方案,所需的仪器是不完全一样的,但原理是相同的,主要差异在于碰撞前、后物体速度的测量. 2. 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. 【对标训练3】如图所示,小球a通过轻质细线Ⅰ、Ⅱ悬挂,处于静止状态.线Ⅰ长l=0.5 m,且上端固定于离地H=2.1 m 的O点,与竖直方向之间夹角θ=37°;线Ⅱ保持水平.O点正下方有一与a质量相等的小球b,静置于离地高度h=1.6 m的支架上.(取sin 37°≈0.6,cos 37°≈0.8,g=9.8 m/s2) 　对标训练3 (1) 在线Ⅰ、Ⅱ的张力大小FⅠ、FⅡ 和小球a所受重力大小G中,最大的是　　　　.  (2) 烧断线Ⅱ,a运动到最低点时与b发生碰撞,且碰撞前、后系统的机械能守恒.求: ① 与b球碰撞前瞬间a球的速度大小va; ② 碰撞后瞬间b球的速度大小vb; ③ b球的水平射程s. 【答案】　(1) FⅠ　(2) ① 1.4 m/s　② 1.4 m/s　 ③ 0.8 m　 【解题思路】 【易错提醒】碰撞前、后,系统水平方向不受外力,动量是守恒的,但机械能不一定守恒,可能有动能损失,比如a、b小球均为黏性小球,碰后粘在一起,系统动能减少. 学科网（北京）股份有限公司 $