《1實驗：探究碰撞中的不變量》教學設(shè)計(山西省市級優(yōu)課)-物理教案

16．1實驗：探究碰撞中的不變量【教學目標】（一）知識與技能1、明確探究碰撞中的不變量的基本思路．2、掌握同一條直線上運動的兩個物體碰撞前后的速度的測量方法．3、掌握實驗數(shù)據(jù)處理的方法．（二）過程與方法1、學習根據(jù)實驗要求，設(shè)計實驗，完成某種規(guī)律的探究方法。2、學習根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行猜測、探究、發(fā)現(xiàn)規(guī)律的探究方法。（三）情感、態(tài)度與價值觀1、通過對實驗方案的設(shè)計，培養(yǎng)學生積極主動思考問題的習慣，并鍛煉其思考的全面性、準確性與邏輯性。2、通過對實驗數(shù)據(jù)的記錄與處理，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度，能使學生靈活地運用科學方法來研究問題，解決問題，提高創(chuàng)新意識?！窘虒W重難點】重點：碰撞中的不變量的探究難點：速度的測量方法、實驗數(shù)據(jù)的處理．【學法指導(dǎo)】教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學生自主實驗，討論、交流學習成果?！窘虒W過程】（一）引入新課課件（投影片）演示：（1）臺球由于兩球碰撞而改變運動狀態(tài)（不同號的臺球運動狀態(tài)不同）。（2）微觀粒子之間由于相互碰撞而改變狀態(tài)，甚至使得一種粒子轉(zhuǎn)化為其他粒子．碰撞是日常生活、生產(chǎn)活動中常見的一種現(xiàn)象，兩個物體發(fā)生碰撞后，速度都發(fā)生變化．例：兩節(jié)火車車廂之間的掛鉤靠碰撞連接。物理學中研究運動過程中的守恒量具有特別重要的意義，本節(jié)通過實驗探究碰撞過程中的什么物理量保持不變（守恒）．（二）導(dǎo)學問題環(huán)節(jié)1．牛頓擺實驗1.1實驗演示實驗1.把最左邊的小鋼球拉起一個角度，釋放后觀察到什么現(xiàn)象？答：邊上的兩個小球來回擺動，中間的好像沒動。實驗2.把最右邊的三個小球移開，還是把最左邊的小鋼球拉起一個角度，釋放后觀察到什么現(xiàn)象？答：一個小球擺到最低點好像速度為0，另一個小球擺起，兩個小球循環(huán)往復(fù)來回擺動。提出問題：我們看到原來靜止的小球運動了，它的速度看似等于原來運動的小球的速度，但究竟是不是呢？與原來相比，其速度到底是變大了？變小了？還是不變？1.2理論分析：用已有知識解答上述問題問題1.設(shè)左邊小球1質(zhì)量m1，第二個小球2質(zhì)量m2，兩個小球在碰撞過程中，之間作用力有什么關(guān)系？答：大小相等方向相反作用在一條直線上，是作用力與反作用力的關(guān)系，F(xiàn)12=-F21......①問題2.對兩個小球在碰撞過程中的水平方向使用牛頓第二定律，得到什么？答：m1a1=-m2a2......②問題3.我們要得出速度關(guān)系，怎樣找加速度與速度的關(guān)系？答：小球1在碰撞過程中有：a1=(v1/-v1)/t......③小球2在碰撞過程中有：a2=(v2/-v2)/t......④問題4.得到怎樣的結(jié)果？答：由①-④式得到，m1(v1/-v1)=-m2(v2/-v2),移項后有m1v1+m2v2=m1v1/+m2v2/問題5.小球2獲得的速度與小球1原來相比，其速度到底是變大了？變小了？還是不變？答：小球1碰撞后靜止，故有m1v1/=0；小球2碰前靜止，故有m2v2=0.所以有m1v1=m2v2/，由于兩個小球質(zhì)量相等，所以v1=v2/，碰后小球1靜止，小球2以小球1碰前的速度運動。環(huán)節(jié)2.發(fā)現(xiàn)“不變量”思考1.我們的目標是尋找碰撞中的守恒量，從上述兩個小鋼球的碰撞過程中，你覺得不變量是什么？答：系統(tǒng)的mv之和。碰前：m1v1+m2v2；碰后：m1v1/+m2v2/，有m1v1+m2v2=m1v1/+m2v2/。環(huán)節(jié)3.實驗驗證3.1實驗裝置：碰撞實驗器、兩個小球、白紙、復(fù)寫紙、刻度尺、小凳子、固定夾3.2實驗?zāi)康模候炞C兩個小球碰撞過程中m1v1+m2v2=m1v1/+m2v2/思考：速度不好測量，可轉(zhuǎn)化為測量平拋后的水平距離即m1OB=m1OA+m2OC,為什么？3.3實驗步驟：如圖組裝儀器，桌面依次鋪好白紙、復(fù)寫紙（注意不要移動白紙和復(fù)寫紙）.。用重垂線確定好斜槽末端的投影點O。思考：如何保證斜槽末端水平？（2）用天平秤出兩個小球的質(zhì)量m1、m2(m1>m2)（3）讓m1球從如圖高處靜止滑下，落點B。重復(fù)10次，用最小的圓把落點圈好，圓心就是平均落點。（4）把m2放到斜槽末端，m1球從原高度靜止滑下，碰后m1、m2落點分別為A、C。重復(fù)10次確定平均落點。（5）測出OB、OA、OC，計算m1OB和m1OA+m2OC，看在實驗誤差范圍內(nèi)是否相等。（6）整理器材。3.4實驗結(jié)論？“mv”這一物理量的意義？3.5.其他實驗方法有哪些？答：參考一、光電門測速原理如圖所示，圖中滑塊上紅色部分為擋光板，擋光板有一定的寬度，設(shè)為L．氣墊導(dǎo)軌上黃色框架上安裝有光控開關(guān)，并與計時裝置相連，構(gòu)成光電計時裝置．當擋光板穿入時，將光擋住開始計時，穿過后不再擋光則停止計時，設(shè)記錄的時間為t，則滑塊相當于在L的位移上運動了時間t，所以滑塊勻速運動的速度v=L/t．參考案例二―一―擺球測速原理實驗裝置如圖所示。把兩個小球用線懸起來，一個小球靜止，拉起另一個小球，放下時它們相碰?？梢詼y量小球被拉起的角度，從而算出落下時的速度；測量被撞小球擺起的角度，從而算出被撞后的速度。也可以用貼膠布等方法增大兩球碰撞時的能量損失。參考案例三――一打點計時器測速原理將打點計時器固定在光滑桌面的一端，把紙帶穿過打點計時器，連在小車的后面。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，把兩個小車連接成一體（如上圖）。通過紙帶測出它們碰撞前后的速度。參考案例四――一平拋測速原理實驗裝置如圖所示。把兩塊大小不同的木塊用細線連接，中間夾一被壓縮了的輕彈簧．將這一系統(tǒng)置于光滑的水平桌面上，燒斷細線，觀察物體的運動情況，通過測量桌高和水平位移，可以算出拋出時的初速度。參考五、用氣墊導(dǎo)軌作碰撞實驗（如圖所示）（三）.本節(jié)小結(jié)問題1.探究碰撞中守恒量的思路？答：（1）觀察現(xiàn)象，提出問題理論分析實驗驗證（4）得出結(jié)論問題2.速度如何測量？“mv”這一物理量的意義？（四）課堂練習1.某同學用圖甲所示裝置通過半徑相同的A、B兩球的碰撞來尋找碰撞中的不變量，圖中PQ是斜槽，QR為水平槽，實驗時先使A球從斜槽上某一固定位置C由靜止開始滾下，落到位于水平地面的記錄紙上，留下痕跡，重復(fù)上述操作10次，得到10個落點痕跡，再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，讓A球仍從位置C由靜止開始滾下，和B球碰撞后，A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點痕跡，重復(fù)這種操作10次，圖中O是水平槽末端口在記錄紙上的垂直投影點，P，為未放被碰小球B時A球的平均落點，M為與B球碰后A球的平均落點，N為被碰球B的平均落點．若B球落點痕跡如圖乙所示，其中米尺水平放置，且平行于OP，，米尺的零點與O點對齊．(注意MA>MB)(1)碰撞后B球的水平射程應(yīng)為_______cm(2)在以下選項中，哪些是本次實驗必須進行的測量?答：_________(填選項號)．A．水平槽上未放B球時，測量A球落點位置到O點的距離B．A球與B球碰撞后，測量A球落點位置到O點的距離C．測量A球或B球的直徑D．測量A球和B球的質(zhì)量E．測量G點相對于水平槽面的高度（五）課后作業(yè)1光滑桌面上有1、2兩個小球。1球的質(zhì)量為0.3Kg，以8m/s的速度跟質(zhì)量為0.1kg的靜止的2球碰撞，碰撞后2球的速度變?yōu)?m/s，1球的速度變?yōu)?m/s，方向與原來相同。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，以上兩項猜想是否成立：（1）通過計算說明，碰撞后是否是1球把速度傳給了2球？（2）通過計算說明，碰撞后是否是1球把動能傳給了2球？（3）請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)猜想在這次碰撞中什么物理量不變，通過計算加以驗證。2．水平光滑桌面上有A、B兩個小車，質(zhì)量分別是0．6kg和0．2kg．A車的車尾拉著紙帶，A車以某一速度與靜止的B車發(fā)生一維碰撞，碰后兩車連在一起共同向前運動．碰撞前后打點計時器打下的紙帶如圖所示．根據(jù)這些數(shù)據(jù)，請猜想：把兩小車加在一起計算，有一個什么物理量在碰撞前后是相等的?3．在“探究碰撞中的不變量”的實驗中，為了順利地完成實驗，入射球質(zhì)量為m1，被碰球質(zhì)量為m2，二者關(guān)系應(yīng)是()A．m1>m2B．m1=m2C．m1<m2D．以上三個關(guān)系都可以2兩球相向運動，發(fā)生正碰，碰撞后兩球均靜止，于是可以斷定，在碰撞以前()A．兩球的質(zhì)量相等B．兩球的速度大小相同C．兩球的質(zhì)量與速度的乘積之和的大小相等D．以上都不能斷定，4．在“探究驗證”的實驗一中，若繩長L，球1、2分別由偏角α和β靜止釋放，則在最低點碰撞前的速度大小分別為________、_________。若碰撞后向同一方向運動最大偏角分別為α，和β，，則碰撞后兩球的瞬時速度大小分別為___________、______________。5．某同學設(shè)計了一個用打點計時器探究碰撞過程中不變量的實驗：在小車A的前端粘有橡皮泥，推動小車A使之做勻速運動．然后與原來靜止在前方的小車B相碰并粘合成一體，繼續(xù)做勻速運動，他設(shè)計的具體裝置如圖所示．在小車A后連著紙帶，電磁打點計時器電源頻率為50Hz，長木板下墊著小木片用以平衡摩擦力．(1)若已得到打點紙帶如圖所示，并將測得的各計數(shù)點間距離標在圖上，A點是運動起始的第一點，則應(yīng)選________段來計算A的碰前速度，應(yīng)選_______段來計算A和B碰后的共同速度(以上兩格填“AB’’或“BC"或“CD"或"DE”)．(2)已測得小車A的質(zhì)量m1=0．40kg，小車B的質(zhì)量m2=0．20kg，由以上測量結(jié)果可得：碰前mAvA+mBvB=_____kg·m／s；碰后mAvA’+mBvB’=______kg·m／s．并比較碰撞前后兩個小車質(zhì)量與速度的乘積之和是否相等．6．某同學利用打點計時器和氣墊導(dǎo)軌做“探究碰撞中的不變量”的實驗；氣墊導(dǎo)軌裝置如圖(a)所示，所用的氣墊導(dǎo)軌裝置由導(dǎo)軌、滑塊、彈射架等組成。在空腔導(dǎo)軌的兩個工作面上均勻分布著一定數(shù)量的小孔，向?qū)к壙涨粌?nèi)不斷通人壓縮空氣，壓縮空氣會從小孔中噴出，使滑塊穩(wěn)定地漂浮在導(dǎo)軌上，如圖(b)所示，這樣就大大減小了因滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦而引起的誤差。(1)下面是實驗的主要步驟：①安裝好氣墊導(dǎo)軌，調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)旋鈕，使導(dǎo)軌水平；②向氣墊導(dǎo)軌通人壓縮空氣；③把打點計時器固定在緊靠氣墊導(dǎo)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；④滑塊1擠壓導(dǎo)軌左端彈射架上的橡皮繩；⑤把滑塊2放在氣墊導(dǎo)軌的中間；⑥先____，然后_______，讓滑塊1帶動紙帶一起運動；⑦取下紙帶，重復(fù)步驟④⑤⑥，選出較理想的紙帶如下圖所示：⑧測得滑塊1(包括撞針)的質(zhì)量為310g，滑塊2(包括橡皮泥)的質(zhì)量為205g；試完善實驗步驟⑥的內(nèi)容。(2)已知打點計時器每隔0．02s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kg·m／s；兩滑塊相互作用以后質(zhì)量與速度的乘積之和為______kg·m／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___________________________。