實驗七　驗證動量守恒定律

實驗七驗證動量守恒定律實驗解讀·核心突破分類研析·拓展提升實驗解讀·核心突破●注意事項1.碰撞的兩物體應(yīng)保證“水平”和“正碰”.2.利用“氣墊導(dǎo)軌”完成實驗,調(diào)整氣墊導(dǎo)軌時,注意利用水平儀確保導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)措施(1)設(shè)計方案時應(yīng)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然誤差.常規(guī)實驗類型一分類研析·拓展提升[例1]某同學(xué)利用打點計時器和氣墊導(dǎo)軌做“驗證動量守恒定律”的實驗,氣墊導(dǎo)軌裝置如圖1所示,(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)軌通入壓縮空氣;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(裝有撞針)擠壓導(dǎo)軌左端彈射架上的橡皮繩;⑤把滑塊2(裝有橡皮泥)放在氣墊導(dǎo)軌的中間;⑥先

,然后

,讓滑塊帶動紙帶一起運動;

⑦取下紙帶,重復(fù)步驟④⑤⑥,選出較理想的紙帶如圖2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.解析:(1)⑥應(yīng)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.答案:(1)接通電源放開滑塊(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).

答案:(2)0.620

0.618解析:(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.(3)試說明(2)問中兩結(jié)果不完全相等的主要原因是

.

.

答案:(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(xué)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(fù)上述過程10次,用盡可能小的圓將10個落點圈在一起,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.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.(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,計算球的速度答案:(1)AC解析:(2)未放被碰球時的落點為P點,該落點的讀數(shù)為25.55cm.(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=m1v1′t+m2v2′t,即m1xOP=m1xOM+m2xON,故實驗需要驗證的表達(dá)式為m1xOP=m1xOM+m2xON.(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xOM,xON,xOP,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.

答案:(2)25.55(25.52～25.57均可)

(3)m1xOP=m1xOM+m2xON1.如圖(甲)所示是氣墊導(dǎo)軌上的兩個滑塊的照片,導(dǎo)軌中間是滑塊A,質(zhì)量mA=0.20kg,右邊是滑塊B,質(zhì)量mB=0.30kg.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=10Hz.(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.

題組訓(xùn)練答案:(1)0.048

0.050解析:(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.(2)實驗結(jié)論:

.

答案:(2)在誤差允許的范圍內(nèi),碰撞前后動量相等2.某同學(xué)用如圖所示裝置探究碰撞中的不變量,用輕質(zhì)細(xì)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與豎直方向的夾角為α)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.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β,需要通過平拋運動測量出小球2碰后的速度,需要測量水平位移s和桌面的高度h.(1)實驗中已經(jīng)測得上述物理量中的α,L,s,為了驗證兩球碰撞過程動量守恒,還應(yīng)該測量的物理量有

(要求填寫所測物理量的名稱及符號).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β(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′=

.

創(chuàng)新實驗類型二[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(xué)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:①用天平測出兩小球的質(zhì)量(分別為m1和m2,且m1>m2).②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.③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.④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.⑤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(xué)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(xué)的實驗,回答下列問題: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.(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.

答案:(1)E

D

答案:(2)C[例4]

(2019·湖北黃岡月考)如圖(a)所示,沖擊擺是一個用細(xì)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)射速度.實驗步驟如下:①用天平測出彈丸的質(zhì)量m和擺塊的質(zhì)量M;②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;③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;④多次重復(fù)步驟③,記錄指針最大偏角的平均值;⑤換不同擋位測量,并將結(jié)果填入下表.擋位平均最大偏角θ(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15.70.007650.07890.2705.03中速擋19.10.007650.07890.2706.77高速擋0.007650.07890.2707.15完成下列填空: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°.(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:θ=

.(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)答案:(1)22.4(22.1～22.7均正確)(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(yīng)的最大指針偏角,每次正式射擊前,應(yīng)預(yù)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:(3)擺塊在推動指針偏轉(zhuǎn)時要克服摩擦力做功,故應(yīng)使指針先停留在適當(dāng)?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:(3)見解析題組訓(xùn)練1.(2019·山東日照聯(lián)考)王川同學(xué)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x1[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x2.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(yīng)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解析:(1)因為碰撞瞬間內(nèi)力遠(yuǎn)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(yīng)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.答案:(1)CD(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μ,重力加速度為g.則A,B碰撞前的動量p1=