高考物理總復(fù)習(xí)第六章動量守恒定律實驗八驗證動量守恒定律

實驗八驗證動量守恒定律注意事項1．前提條件：碰撞的兩物體應(yīng)保證“水平”和“正碰”。2．方案提醒(1)若利用氣墊導(dǎo)軌進行驗證，調(diào)整氣墊導(dǎo)軌時，應(yīng)注意利用水平儀確保導(dǎo)軌水平。(2)若利用兩小車相碰進行驗證，要注意平衡摩擦力。(3)若利用平拋運動規(guī)律進行驗證①斜槽末端的切線必須水平；②入射小球每次都必須從斜槽同一高度由靜止釋放；③選質(zhì)量較大的小球作為入射小球；④實驗過程中實驗桌、斜槽、記錄的白紙的位置要始終保持不變。命題點一教材原型實驗【例1(2021·四川攀枝花市統(tǒng)考)某學(xué)習(xí)小組用如圖2所示的實驗裝置探究碰撞中的不變量。將打點計時器固定在光滑水平桌面的一端，把紙帶穿過打點計時器，連在小車A的后面。讓小車A運動，小車B靜止。在兩小車的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥，碰撞時撞針插入橡皮泥中，把兩小車連成一體。某次實驗中使用的兩車質(zhì)量均為0.6kg，與打點計時器連接的交流電頻率為50Hz，得到的紙帶如圖3所示。圖2圖3請回答下列問題：(1)紙帶的________(選填“a”或“b”)端與小車A相連。(2)碰撞前系統(tǒng)的總動量為______kg·m/s，碰撞后系統(tǒng)的總動量為______kg·m/s(保留2位有效數(shù)字)。答案(1)b(2)0.560.54解析(1)從所給的紙帶來看，a端的點跡較密，b端較疏，b端速度大，說明b端是碰撞前打出的點跡，故b端跟小車相連。(2)碰撞前的速度可以用靠近b端的三段的平均速度表示，v0＝eq\f(（12.60－7.00）×10－2,3×0.02)m/s＝0.93m/s所以碰撞前的總動量p＝mAv0＝0.6×0.93kg·m/s＝0.56kg·m/s碰撞后的速度用靠近a端的五段表示v＝eq\f(（4.60－0.10）×10－2,5×0.02)m/s＝0.45m/s所以碰撞后的總動量p′＝(mA＋mB)v＝1.2×0.45kg·m/s＝0.54kg·m/s?！踞槍τ?xùn)練1】(2021·北京市西城區(qū)統(tǒng)一測試)用如圖4所示的裝置，來完成“驗證動量守恒定律”的實驗。實驗中使用的小球1和2半徑相等，用天平測得質(zhì)量分別為m1、m2，且m1>m2。在木板上鋪一張白紙，白紙上面鋪放復(fù)寫紙，記下重垂線所指的位置O。先不放小球2，使小球1從斜槽上某一點S由靜止?jié)L下，落到水平地面P點。再把小球2靜置于斜槽軌道末端，讓小球1仍從S處由靜止?jié)L下，小球1和小球2碰撞后分別落在復(fù)寫紙上，在白紙上留下各自落點的痕跡。圖4(1)實驗中，直接測定小球碰撞前后的速度是不容易的，可以通過測量小球做平拋運動的射程來解決這個問題。確定碰撞前后落點的位置P、M、N，用刻度尺測量出水平射程OP、OM、ON。①本實驗必須滿足的條件是________。A．斜槽軌道必須是光滑的B．斜槽軌道末端必須是水平的C．小球1每次必須從同一高度由靜止釋放②若兩球相碰前后的動量守恒，其表達式可表示為：______________________________________________________________________③通過測量小球做平拋運動的射程來代替小球的速度，這樣做的依據(jù)是：___________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)在上述實驗中換用不同材質(zhì)的小球，其他條件不變，可以改變小球的落點位置。下面三幅圖中，可能正確的落點分布是________。答案(1)①BC②m1·OP＝m1·OM＋m2·ON③小球離開斜槽末端做平拋運動，豎直方向滿足y＝eq\f(1,2)gt2，下落高度一定，運動時間相同；水平方向滿足x＝vt，水平位移與平拋初速度成正比(2)B解析(1)因小球在斜槽末端的速度與平拋的水平位移成正比，所以斜槽是否光滑對該實驗影響不大，A錯誤；斜槽末端保持水平，是為了保證它們在水平碰撞后做平拋運動，B正確；小球1每次必須從同一高度釋放，盡可能保證每次碰撞情況相同，C正確；小球離開斜槽末端做平拋運動，豎直方向滿足y＝eq\f(1,2)gt2，下落高度一定，運動時間相同；水平方向滿足x＝vt，水平位移與平拋初速度成正比，兩球相碰前后的動量守恒，其表達式可表示為m1·OP＝m1·OM＋m2·ON。(2)碰撞前的動量等于碰撞后的動量，所以P點是碰撞前的位置，M點是碰撞后的位置，N點是被碰小球的下落位置，A、C錯誤，B正確。命題點二實驗方案創(chuàng)新1．實驗器材：氣墊導(dǎo)軌、光電計時器、天平、滑塊(兩個)、彈簧片、膠布、撞針、橡皮泥等。2．實驗方法(1)測質(zhì)量：用天平測出兩滑塊的質(zhì)量。(2)安裝：按圖5安裝并調(diào)好實驗裝置。圖5(3)實驗：接通電源，利用光電計時器測出兩滑塊在各種情況下碰撞前、后的速度(例如：①改變滑塊的質(zhì)量；②改變滑塊的初速度大小和方向)。(4)驗證：一維碰撞中的動量守恒?！菊骖}示例2(2020·全國Ⅰ卷，23)某同學(xué)用如圖6所示的實驗裝置驗證動量定理，所用器材包括：氣墊導(dǎo)軌、滑塊(上方安裝有寬度為d的遮光片)、兩個與計算機相連接的光電門、砝碼盤和砝碼等。實驗步驟如下：圖6(1)開動氣泵，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌，輕推滑塊，當滑塊上的遮光片經(jīng)過兩個光電門的遮光時間________時，可認為氣墊導(dǎo)軌水平。(2)用天平測砝碼與砝碼盤的總質(zhì)量m1、滑塊(含遮光片)的質(zhì)量m2。(3)用細線跨過輕質(zhì)定滑輪將滑塊與砝碼盤連接，并讓細線水平拉動滑塊。(4)令滑塊在砝碼和砝碼盤的拉動下從左邊開始運動，和計算機連接的光電門能測量出遮光片經(jīng)過A、B兩處的光電門的遮光時間Δt1、Δt2及遮光片從A運動到B所用的時間t12。(5)在遮光片隨滑塊從A運動到B的過程中，如果將砝碼和砝碼盤所受重力視為滑塊所受拉力，拉力沖量的大小I＝________，滑塊動量改變量的大小Δp＝__________(用題中給出的物理量及重力加速度g表示)。(6)某次測量得到的一組數(shù)據(jù)是：d＝1.000cm，m1＝1.50×10－2kg，m2＝0.400kg，Δt1＝3.900×10－2s，Δt2＝1.270×10－2s，t12＝1.50s，取g＝9.80m/s2。計算可得I＝________N·s，Δp＝________kg·m·s－1(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)。(7)定義δ＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(I－Δp,I)))×100%，本次實驗δ＝________%(保留1位有效數(shù)字)。答案(1)大約相等(5)m1gt12m2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)－\f(d,Δt1)))(6)0.2210.212(7)4解析(1)當氣墊導(dǎo)軌水平時，滑塊在導(dǎo)軌上做勻速運動，所以滑塊上的遮光片通過兩個光電門的遮光時間相等。(5)根據(jù)沖量的定義可得I＝m1gt12；根據(jù)動量改變量的定義可得Δp＝m2eq\f(d,Δt2)－m2eq\f(d,Δt1)＝m2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)－\f(d,Δt1)))。(6)代入數(shù)據(jù)得I＝m1gt12＝1.50×10－2×9.80×1.50N·s≈0.221N·s；Δp＝m2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(d,Δt2)－\f(d,Δt1)))＝0.400×1.000×10－2×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,1.270×10－2)－\f(1,3.900×10－2)))kg·m/s≈0.212kg·m/s。(7)根據(jù)定義可得δ＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(I－Δp,I)))×100%≈4%。【針對訓(xùn)練2】(2021·遼寧葫蘆島市一模)為了驗證動量守恒定律，某同學(xué)使用如圖7甲所示的氣墊導(dǎo)軌裝置進行實驗。其中G1、G2為兩個光電門，它們與數(shù)字計時器相連，當兩個剛性滑行器通過G1、G2光電門時，光束被滑行器上的擋光片遮擋的時間稱為光電門的擋光時間。預(yù)先測得滑行器連同擋光片的總質(zhì)量分別為m1、m2(m2＞m1)，兩擋光片寬度均為D。該同學(xué)想在水平的氣墊導(dǎo)軌上，只利用以上儀器驗證動量守恒定律，請回答下列問題：圖7(1)實驗開始應(yīng)先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺母，使氣墊導(dǎo)軌水平。在不增加其他測量器材的情況下，調(diào)氣墊導(dǎo)軌水平的步驟是：接通氣墊導(dǎo)軌裝置的電源，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌下面的螺母，若質(zhì)量為m2的滑行器放在氣墊導(dǎo)軌上的任意位置都能保持靜止，或者輕推質(zhì)量為m2的滑行器，質(zhì)量為m2的滑行器分別通過光電門G1、G2的時間________，則氣墊導(dǎo)軌水平。(2)用游標卡尺測量兩擋光片的寬度如圖乙所示，則D＝____________。(3)將質(zhì)量為m2的滑行器靜置于兩光電門之間，將質(zhì)量為m1的滑行器置于光電門G1右側(cè)，用手推動質(zhì)量為m1的滑行器，使質(zhì)量為m1的滑行器獲得水平向左的速度經(jīng)過光電門G1并與質(zhì)量為m2的滑行器發(fā)生碰撞且被彈回，再次經(jīng)過光電門G1。光電門G1先后記錄的擋光時間為Δt11、Δt12，光電門G2記錄的擋光時間為Δt2。在本次實驗中，若表達式____________________(用m1、m2、Δt11、Δt12、Δt2表示)在誤差允許的范圍內(nèi)成立，則動量守恒定律成立。答案(1)相等(2)5.75mm(0.575cm；5.75×10－3m都對)(3)m1eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,Δt11)＋\f(1,Δt12)))＝m2eq\f(1,Δt2)解析(1)實驗開始，輕推滑行器，若滑行器做勻速直線運動，滑行器通過光電門的速度相等，則光電門的擋光時間相等，證明氣墊導(dǎo)軌已經(jīng)水平。(2)兩擋光片的寬度D＝5mm＋15×0.05mm＝5.75mm。(3)質(zhì)量為m的滑行器兩次經(jīng)過光電門G1的速度近似等于滑塊經(jīng)過光電門時的平均速度，分別為v1＝eq\f(D,Δt11)，v1′＝eq\f(D,Δt12)質(zhì)量為M的滑行器經(jīng)過光電門G2的速度v2＝eq\f(D,Δt2)根據(jù)動量守恒定律得m1v1＝m2v2－m1v1′整理得m1eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,Δt11)＋\f(1,Δt12)))＝m2eq\f(1,Δt2)。1．(2021·安徽宿州市模擬)某實驗小組用光滑導(dǎo)軌驗證滑塊碰撞過程中動量守恒。實驗裝置如圖8甲所示，兩滑塊置于導(dǎo)軌上，其中滑塊2左側(cè)粘有橡皮泥。圖8(1)電火花計時器固定在緊靠導(dǎo)軌左端并連接在50Hz交流電源上，將紙帶穿過計時器并固定在滑塊1的左端(圖中未畫出)，調(diào)節(jié)打點計時器的高度使紙帶始終與導(dǎo)軌平行。主要步驟：①實驗前應(yīng)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌底部的調(diào)節(jié)旋鈕，使導(dǎo)軌________；②把滑塊2放在導(dǎo)軌的中間，使滑塊1置于左端彈射架上；③先________，然后________，讓滑塊1帶動紙帶一起運動；(選填“接通電源”“釋放滑塊1”“釋放滑塊2”)④取下紙帶，重復(fù)步驟②③，選出理想的紙帶；⑤用天平測得滑塊1的質(zhì)量為300g，滑塊2(包括橡皮泥)的質(zhì)量為346g。(2)某次實驗打出的紙帶如圖乙所示(紙帶上的點為計時點)。兩滑塊碰撞之前系統(tǒng)的總動量為________kg·m/s；兩滑塊碰撞之后系統(tǒng)的總動量為________kg·m/s(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)。答案(1)水平接通電源釋放滑塊1(2)0.3900.388解析(1)①實驗前應(yīng)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌底部的調(diào)節(jié)旋鈕，使導(dǎo)軌水平。③根據(jù)實驗操作步驟可知，先接通電源然后釋放滑塊1。(2)滑塊1向右運動與滑塊2碰撞后粘在一起，所以粘前速度較大，那么碰撞前的速度v＝eq\f(13.0×10－2,5×0.02)m/s＝1.3m/s兩滑塊碰撞之前系統(tǒng)的總動量為p＝m1v＝0.390kg·m/s與滑塊2碰撞后粘在一起的速度v′＝eq\f(7.2×10－2,6×0.02)m/s＝0.6m/s碰后總動量為p′＝(m1＋m2)v′＝0.388kg·m/s。2．(2021·江西鷹潭市模擬)某同學(xué)用如圖9甲所示的裝置驗證碰撞中動量守恒。一根長為L的輕質(zhì)不可伸縮細線一端拴住質(zhì)量為mA的小鋼球A，細線的另一端固定在懸點O，在最低點的前后放置一光電門，光電門前的水平面上放一質(zhì)量為mB的金屬物塊B，物塊的上表面中央固定一輕質(zhì)的遮光片?，F(xiàn)將小球向右拉至細線水平后靜止釋放，小球在最低點與物塊碰撞后反彈上升，測出小球反彈上升時細線的最大偏角為θ，光電門記錄的擋光時間為t，已知重力加速度為g。則圖9(1)用20分度的游標卡尺測遮光片的寬度如圖乙所示，則遮光片的寬度d＝______mm。(2)小球與物塊的質(zhì)量大小關(guān)系為mA______mB(選填“>”“＝”或“<”)；(3)驗證小球與物塊在碰撞過程中動量守恒的表達式為________________________。(用字母mA、mB、L、d、θ、t、g表示)答案(1)4.35(2)<(3)mAeq\r(2gL)(1＋eq\r