2021高考物理一輪復習第六章碰撞與動量守恒實驗七驗證動量守恒定律教案魯科版

1、實驗七驗證動量守恒定律實驗解讀核心突破* 注意事項1.碰撞的兩物體應保證“水平”和“正碰”.2.利用“氣墊導軌”完成實驗,調(diào)整氣墊導軌時,注意利用水平儀確保導軌水平.3.完成該實驗的方案有若干,可驗證一維的彈性碰撞、非彈性碰撞(完全非彈性碰撞),其原理均為測出物體作用前、后的動量,可探究各類碰撞的特點.誤差分析1.系統(tǒng)誤差:主要來源于裝置本身是否符合要求,即(1)碰撞是否為一維碰撞.(2)實驗是否滿足動量守恒的條件,如氣墊導軌是否水平.2.偶然誤差:主要來源于質(zhì)量m和速度v的測量.3.改進措施(1)設(shè)計方案時應保證碰撞為一維碰撞,且盡量滿足動量守恒的條件.(2)采取多次測量求平均值的方法減小偶

2、然誤差.分類研習拓展提升類型一 常規(guī)實驗例1 某同學利用打點計時器和氣墊導軌做“驗證動量守恒定律”的實驗,氣墊導軌裝置如圖1所示,(1)下面是實驗的主要步驟:安裝好氣墊導軌,調(diào)節(jié)氣墊導軌的調(diào)節(jié)旋鈕,使導軌水平;向氣墊導軌通入壓縮空氣;把打點計時器固定在緊靠氣墊導軌左端彈射架的外側(cè),將紙帶穿過打點計時器越過彈射架并固定在滑塊1的左端,調(diào)節(jié)打點計時器的高度,直至滑塊拖著紙帶移動時,紙帶始終在水平方向;滑塊1(裝有撞針)擠壓導軌左端彈射架上的橡皮繩;把滑塊2(裝有橡皮泥)放在氣墊導軌的中間;先,然后,讓滑塊帶動紙帶一起運動;取下紙帶,重復步驟,選出較理想的紙帶如圖2所示;測得滑塊1(包括撞針)的質(zhì)量

3、為310 g,滑塊2(包括橡皮泥)的質(zhì)量為205 g.試完善實驗步驟的內(nèi)容.(2)已知打點計時器每隔0.02 s打一個點,計算可知,兩滑塊相互作用前質(zhì)量與速度的乘積之和為kgm/s;兩滑塊相互作用以后質(zhì)量與速度的乘積之和為kgm/s(保留三位有效數(shù)字).(3)試說明(2)問中兩結(jié)果不完全相等的主要原因是 .解析:(1)應先接通打點計時器電源,然后再放開滑塊,讓滑塊帶動紙帶一起運動.(2)放開滑塊1后,滑塊1做勻速運動,跟滑塊2發(fā)生碰撞后跟滑塊2一起做勻速運動,根據(jù)紙帶的數(shù)據(jù),碰撞前滑塊1的動量p1=m1v1=0.310 kgm/s=0.620 kgm/s,滑塊2的動量為零,所以碰撞前的總動量為

4、0.620 kgm/s;碰撞后滑塊1,2速度相等,所以碰撞后總動量p2=(m1+m2)v2=(0.310+0.205) kgm/s=0.618 kgm/s.(3)結(jié)果不完全相等是因為紙帶與打點計時器限位孔有摩擦力的作用.答案:(1)接通電源放開滑塊(2)0.6200.618(3)紙帶與打點計時器限位孔有摩擦力的作用例2 (2109山東濰坊期中)某同學用如圖1所示實驗裝置驗證碰撞中的動量守恒.將斜槽固定在水平桌面上,讓入射球1從斜槽上某點a由靜止釋放,記錄球在地面的落點;在斜槽末端放上被碰球2再次讓球1從斜槽上a點由靜止釋放,記錄球1和球2的落點.重復上述過程10次,用盡可能小的圓將10個落點圈

5、在一起,圓心m,p,n代表落點的平均位置,斜槽末端在水平地面的豎直投影為o,用毫米刻度尺測量小球的水平位移,如圖2所示.(1)為完成實驗,下列操作必須的是.a.斜槽末端切線方向保持水平b.入射球1的質(zhì)量小于被碰球2的質(zhì)量c.實驗中入射小球從同一位置由靜止釋放d.測出斜槽末端到地面的高度h,計算球的速度(2)未放被碰球時,由刻度尺讀出入射球拋出的水平位移為cm.(3)測得球1和球2的質(zhì)量分別為m1和m2,小球的水平位移分別為som,son,sop,若關(guān)系式成立(用所測物理量符號表示),則可驗證碰撞過程動量守恒.解析:(1)要保證每次小球都做平拋運動,則斜槽末端必須保持水平,故a正確;為了使小球碰

6、后不被反彈,要求入射球1的質(zhì)量大于被碰球2的質(zhì)量,故b錯誤;要保證碰撞前的速度相同,所以入射球每次都要從同一高度由靜止釋放,故c正確;本實驗中兩小球落地時間相同,故不需要測量高度h來計算下落時間,故d錯誤.(2)未放被碰球時的落點為p點,該落點的讀數(shù)為25.55 cm.(3)小球離開軌道后做平拋運動,由于小球拋出點的高度相等,小球的運動時間t相等,如果碰撞過程動量守恒,則m1v1=m1v1+m2v2,兩邊同時乘以時間t得m1v1t=m1v1t+m2v2t,即m1sop=m1som+m2son,故實驗需要驗證的表達式為m1sop=m1som+m2son.答案:(1)ac(2)25.55(25.5

7、225.57均可)(3)m1sop=m1som+m2son題組訓練1.如圖(甲)所示是氣墊導軌上的兩個滑塊的照片,導軌中間是滑塊a,質(zhì)量ma=0.20 kg,右邊是滑塊b,質(zhì)量mb=0.30 kg.圖(乙)是滑塊b向左運動中與滑塊a碰后合為一體的照片,頻閃照片的頻率f=10 hz.(1)根據(jù)照片提供的信息,碰前的動量為kg m/s,碰后的動量為kg m/s.(2)實驗結(jié)論:.解析:(1)題圖頻閃照片頻率為10 hz,即滑塊相鄰兩位置的時間間隔為0.1 s.從圖中讀出碰前a的位置不變,則a靜止;b在碰前相等時間內(nèi)的位移為1.6 cm,b碰前的速度應為v0= m/s=0.16 m/s,所以碰前的動

8、量為pb=mv0=0.300.16 kg m/s=0.048 kg m/s.碰撞后兩滑塊具有共同速度,相等時間內(nèi)的位移為1.0 cm,則碰后速度v共= m/s=0.10 m/s,碰后的動量p=(ma+mb)v共=(0.20+0.30)0.10 kg m/s=0.050 kg m/s.(2)實驗結(jié)論:在誤差允許的范圍內(nèi),碰撞前后動量相等,在碰撞過程中動量守恒.答案:(1)0.0480.050(2)在誤差允許的范圍內(nèi),碰撞前后動量相等2.某同學用如圖所示裝置探究碰撞中的不變量,用輕質(zhì)細線將小球1懸掛于o點,使小球1的球心到懸點o的距離為l,被碰小球2放在光滑的水平桌面上.將小球1從右方的a點(oa

9、與豎直方向的夾角為)由靜止釋放,擺到最低點b時恰與小球2發(fā)生正碰,碰撞后,小球1繼續(xù)向左運動到c位置,小球2落到水平地面上到桌面邊緣水平距離為s的d點.(1)實驗中已經(jīng)測得上述物理量中的,l,s,為了驗證兩球碰撞過程動量守恒,還應該測量的物理量有(要求填寫所測物理量的名稱及符號).(2)請用測得的物理量結(jié)合已知物理量來表示碰撞前后小球1、小球2的動量p1=;p1=;p2=;p2=.解析:(1)為了驗證兩球碰撞過程動量守恒,需要測量兩小球的質(zhì)量,即需要測量小球1的質(zhì)量m1,小球2的質(zhì)量m2,小球1碰撞前后的速度可以根據(jù)機械能守恒定律測出,所以還需要測量oc與ob夾角,需要通過平拋運動測量出小球2

10、碰后的速度,需要測量水平位移s和桌面的高度h.(2)小球1從a處下擺過程只有重力做功,機械能守恒,由機械能守恒定律得m1gl(1-cos )=m1,解得v1=,則p1=m1v1=m1;小球1與小球2碰撞后繼續(xù)運動,小球1在a處碰后到達最左端過程中,機械能依然守恒,由機械能守恒定律得-m1gl(1-cos )=0-mv12,解得v1=,則p1=m1.碰前小球2靜止,則p2=0;碰撞后小球2做平拋運動,水平方向s=v2t,豎直方向h=gt2,聯(lián)立解得v2=s,則碰后小球2的動量p2=m2s.答案:(1)小球1的質(zhì)量m1,小球2的質(zhì)量m2,桌面高度h,oc與ob間的夾角(2)m1m10m2s類型二

11、創(chuàng)新實驗例3 (2019山東濟寧模擬)為了驗證碰撞中的動量守恒和檢驗兩個小球的碰撞是否為彈性碰撞,某同學選取了兩個體積相同、質(zhì)量相差比較大的小球,按下述步驟做了實驗:用天平測出兩小球的質(zhì)量(分別為m1和m2,且m1m2).按圖示安裝好實驗器材,將斜槽ab固定在桌邊,使槽的末端切線水平,將一斜面bc連接在斜槽末端.先不放小球m2,讓小球m1從斜槽頂端a處由靜止開始滾下,記下小球在斜面上的落點位置.將小球m2放在斜槽末端邊緣處,讓小球m1從斜槽頂端a處由靜止開始滾下,使它們發(fā)生碰撞,分別記下小球m1和m2在斜面上的落點位置.用毫米刻度尺量出各個落點位置到斜槽末端點b的距離.圖中d,e,f點是該同學

12、記下小球在斜面上的落點位置,到b點的距離分別為ld,le,lf.根據(jù)該同學的實驗,回答下列問題:(1)在不放小球m2時,小球m1從斜槽頂端a處由靜止開始滾下,m1的落點在圖中的點,把小球m2放在斜槽末端邊緣處,小球m1從斜槽頂端a處由靜止開始滾下,使它們發(fā)生碰撞,碰后小球m1的落點在圖中的點.(2)若碰撞過程中,動量和機械能均守恒,不計空氣阻力,則下列表達式中正確的有.a.m1lf=m1ld+m2leb.m1=m1+m2c.m1le=m1ld+m2lfd.le=lf-ld解析:(1)小球m1從斜槽頂端a處由靜止開始滾下,m1的落點在圖中的e點,小球m1和小球m2相撞后,小球m2的速度增大,小球

13、m1的速度減小,都做平拋運動,所以碰撞后m1球的落點是d點,m2球的落點是f點.(2)設(shè)斜面傾角為,小球落點到b點的距離為l,小球從b點拋出時速度為v,則豎直方向有l(wèi)sin =gt2,水平方向有l(wèi)cos =vt,則v=,所以v.若碰撞過程滿足動量守恒,則有m1v1=m1v1+m2v2,把速度v代入整理得m1=m1+m2;若碰撞過程滿足機械能守恒,則有m1=m1v12+m2,整理得m1le=m1ld+m2lf,故c正確.答案:(1)ed(2)c例4 (2019湖北黃岡月考)如圖(a)所示,沖擊擺是一個用細線懸掛著的擺塊,彈丸擊中擺塊時陷入擺塊內(nèi),使擺塊擺至某一高度,利用這種裝置可以測出彈丸的發(fā)射

14、速度.實驗步驟如下:用天平測出彈丸的質(zhì)量m和擺塊的質(zhì)量m;將實驗裝置水平放在桌子上,調(diào)節(jié)擺繩的長度,使彈丸恰好能射入擺塊內(nèi),并使擺塊擺動平穩(wěn),同時用刻度尺測出擺長;讓擺塊靜止在平衡位置,扳動彈簧槍的扳機,把彈丸射入擺塊內(nèi),擺塊和彈丸推動指針一起擺動,記下指針的最大偏角;多次重復步驟,記錄指針最大偏角的平均值;換不同擋位測量,并將結(jié)果填入下表.擋位平均最大偏角(角度)彈丸質(zhì)量m(kg)擺塊質(zhì)量m(kg)擺長l(m)彈丸的速度v(m/s)低速擋15.70.007 650.078 90.2705.03中速擋19.10.007 650.078 90.2706.77高速擋0.007 650.078 90

15、.2707.15完成下列填空:(1)現(xiàn)測得高速擋指針最大偏角如圖(b)所示,請將表中數(shù)據(jù)補充完整:=.(2)用上述測量的物理量表示發(fā)射彈丸的速度v= .(已知重力加速度為g)(3)為減小實驗誤差,每次實驗前,并不是將指針置于豎直方向的零刻度處,常常需要試射并記下各擋對應的最大指針偏角,每次正式射擊前,應預置指針,使其偏角略小于該擋的最大偏角.請寫出這樣做的一個理由: .解析:(1)由圖(b)可知,角度的分度值為1,需要估讀一位,所以該讀數(shù)為22.4.(2)彈丸射入擺塊內(nèi),系統(tǒng)水平方向動量守恒,以向右為正方向,則有mv=(m+m)v擺塊向上擺動,由機械能守恒定律得(m+m)v2=(m+m)gl(

16、1-cos ),聯(lián)立解得v=.(3)擺塊在推動指針偏轉(zhuǎn)時要克服摩擦力做功,故應使指針先停留在適當?shù)母叨?以減少能量的損耗(其他理由,如“過大的速度碰撞指針要損失較多的機械能”“指針擺動較長距離損失的機械能較多”等,只要合理即可).答案:(1)22.4(22.122.7均正確)(2)(3)見解析題組訓練1.(2019山東日照聯(lián)考)王川同學利用如圖所示的裝置驗證碰撞中的動量守恒.豎直平面內(nèi)的一段圓弧軌道下端與水平桌面相切,先將小滑塊a從圓弧軌道上某一點無初速度釋放,測出小滑塊在水平桌面上滑行的距離s1如圖(甲);然后將左側(cè)貼有雙面膠的小滑塊b放在圓弧軌道的最低點,再將小滑塊a從圓弧軌道上某一點無初

17、速度釋放,a與b碰撞后結(jié)合為一個整體,測出整體沿桌面滑動的距離s2.已知滑塊a和b的材料相同.(1)下列選項中,屬于本實驗要求的是(填相應選項前的字母).a.實驗中所用圓弧軌道必須是光滑的b.實驗必須保證a的質(zhì)量不大于b的質(zhì)量c.實驗中滑塊a的釋放點離水平桌面要高一些d.兩次必須從圓弧軌道上同一點無初速度釋放滑塊a(2)若滑塊a,b的質(zhì)量分別為m1,m2,與水平桌面間的動摩擦因數(shù)均為,重力加速度為g.則a,b碰撞前的動量p1=,碰撞后的動量p2=(用字母m1,m2,g,s1,s2表示).只要p1=p2,則驗證了a和b碰撞過程中動量守恒.(3)本實驗(選填“需要”或“不需要”)測出滑塊與水平桌面

18、間的動摩擦因數(shù).解析:(1)因為碰撞瞬間內(nèi)力遠大于外力,兩者在碰撞前后動量守恒,測出運動距離,根據(jù)動能定理求解碰撞前后的速度,所以無需圓弧軌道必須是光滑的,a錯誤;由于碰后a,b結(jié)合成一個整體,不必考慮兩者質(zhì)量關(guān)系,b錯誤;為了保證兩者碰撞后運動的距離不過小,便于測量,應使得a碰撞時的速度大一些,即實驗中滑塊a的釋放點離水平桌面要高一些,c正確;兩次釋放,為了要保證碰撞前的速度相同,兩次必須從圓弧軌道上同一點無初速度釋放滑塊a,d正確.(2)滑塊在水平軌道運動過程,由動能定理,對滑塊a有-mgs1=0-m,解得v1=,故碰撞前動量p1=m1v1=m1;兩者粘在一起運動時有-(m1+m2)gs2=0-(m1+m2),解得v2=,故碰撞后動量p2=(m1+m2)v2=(m1+m2).(3)比較p1,p2,即比較m1,(m1+m2),過程中可抵消,故不需要測出滑塊與水平桌面間的動摩擦因數(shù).答案:(1)cd(2)m1(m1+m2)(3)不需要2.某實驗小組利用如圖所示的裝置進行實驗,鉤碼a和b(均可視為質(zhì)點)分別系在一條跨過輕質(zhì)定滑輪的軟繩兩端,在a的上面套一個比