1、第5课时验证动量守恒定律实验目的：验证动量守恒定律。实验原理：在一维碰撞中，测出物体的质量m和碰撞前后物体的速度v、v，找出碰撞前的动量pm1v1m2v2及碰撞后的动量pm1v1m2v2，看碰撞前后动量是否守恒。实验方案方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验实验器材气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥、游标卡尺等。实验步骤1测质量：用天平测出滑块质量。2安装：正确安装好气垫导轨。3实验：接通电源，利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度(改变滑块的质量；改变滑块的初速度大小和方向)。数据处理1滑块速度的测量：v，式中x为滑块
2、挡光片的宽度(仪器说明书上给出，也可直接测量)，t为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间。2验证的表达式：m1v1m2v2m1v1m2v2。方案二：利用等长摆球完成一维碰撞实验实验器材带细线的摆球(两套，等大不等重)、铁架台、天平、量角器、刻度尺、游标卡尺、胶布等。实验步骤1测质量和直径：用天平测出小球的质量m1、m2，用游标卡尺测出小球的直径d。2安装：把小球用等长悬线悬挂起来，并用刻度尺测量悬线长度l。3实验：一个小球静止，拉起另一个小球，放下时它们相碰。4测角度：用量角器测量小球被拉起的角度和碰撞后两小球摆起的角度。5改变条件重复实验：改变小球被拉起的角度；改变摆长。数据处理1
3、摆球速度的测量：v，式中h为小球释放时(或碰撞后摆起)的高度，h可由摆角和摆长计算出。2验证的表达式：m1v1m1v1m2v2。方案三：利用两辆小车完成一维碰撞实验实验器材光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥、刻度尺等。实验步骤1测质量：用天平测出两小车的质量。2安装：将打点计时器固定在光滑长木板的一端，把纸带穿过打点计时器，连在小车的后面，在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥。3实验：小车B静止，接通电源，让小车A运动，碰撞时撞针插入橡皮泥中，两小车连接成一个整体运动。4改变条件重复实验：改变小车A的初速度；改变两小车的质量。数据处理1小车速度的测量：通过纸带上两计
4、数点间的距离及时间，由v计算。2验证的表达式：m1v1(m1m2)v2。方案四：利用斜槽滚球验证动量守恒定律实验器材斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸、圆规、刻度尺等。实验步骤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安装：按照如图所示安装实验装置。调整固定斜槽使斜槽底端水平。3铺纸：白纸在下，复写纸在上且在适当位置铺放好。记下重垂线所指的位置O。4单球找点：不放被撞小球，每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，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。5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高度自
5、由滚下，使它们发生碰撞，重复实验10次。用步骤4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，如图所示。改变入射小球的释放高度，重复实验。数据处理1小球水平射程的测量：连接ON，测量线段OP、OM、ON的长度。2验证的表达式：m1OPm1OMm2ON。误差分析1系统误差：主要来源于实验器材及实验操作等。(1)碰撞是否为一维。(2)气垫导轨是否完全水平，摆球受到空气阻力，小车受到长木板的摩擦力，入射小球的释放高度存在差异。2偶然误差：主要来源于质量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的测量。注意事项1前提条件：碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。2方案提醒(1)若利用气
6、垫导轨进行验证，给滑块的初速度应沿着导轨的方向。(2)若利用摆球进行验证，实验前两摆球应刚好接触且球心在同一水平线上，将摆球拉起后，两摆线应在同一竖直面内。(3)若利用两小车相碰进行验证，要注意平衡摩擦力。(4)若利用平抛运动规律进行验证，安装实验装置时，应注意调整斜槽，使斜槽末端水平，且选质量较大的小球为入射小球。考法一实验原理与操作1某实验小组做“验证动量守恒定律”的实验。分别设计了图甲、图乙两种实验装置；(1)若采用图甲所示装置进行实验，为了减小偶然误差，确定小球落点的平均位置的方法是：_；为了保证入射小球离开斜槽末端的速度相同，每次必须从斜槽上_滚下；(2)已知入射小球质量为m1，被碰
7、小球质量为m2(m1m2)，甲同学建议用图甲所示的装置，由水平地板上的白纸与复写纸记录两小球碰撞前后落点的位置，实验中记下了O、M、P、N四个位置，如图甲所示，其中P点是未放小球m2时小球m1被释放后落点的位置，若采用图甲所示装置进行实验，若满足_(用m1、m2、OM、OP、ON表示)，则说明碰撞中动量守恒；乙同学建议用图乙所示的实验装置，用垂直于小球下落轨迹平面的竖直木板及白纸、复写纸记录两小球碰撞前后落点的位置，实验中记下了O、A、B、C四个位置(如图所示)，若满足_(用m1、m2、OA、OB、OC表示)，则说明碰撞中动量守恒；这两种方案你认为_(填“甲”或“乙”)较好。解析：(1)用圆规
8、画一个尽可能小的圆把所有的落点圈在里面，圆心即平均位置，这样可以减小偶然误差；为了保证小球每次到达斜面末端时速度相同，应让小球每次从同一位置由静止滑下；(2)设落地时间为t，则有：v1，v1，v2而动量守恒的表达式是：m1v1m1v1m2v2所以若两球相碰前后的动量守恒，则有：m1OMm2ONm1OP成立；小球做平抛运动，在竖直方向上：hgt2，平抛运动时间：t，设轨道末端到木条的水平位置为x，小球做平抛运动的初速度：va，va，vb，如果碰撞过程动量守恒，则：mavamavambvb，代入速度解得：；由于甲实验实验方法简单且数据处理方便，因此甲实验原理更好一些。答案：(1)用圆规画一个尽可能
9、小的圆把所有的落点圈在里面，圆心即平均位置同一位置由静止开始(2)m1OPm1OMm2ON甲2某同学用如图1所示的装置“验证动量守恒定律”，实验开始前在水平放置的气垫导轨左端装一个弹射装置，滑块碰到弹射装置时将被锁定，打开控制开关，滑块可被弹射装置向右弹出。滑块甲和滑块乙上装有相同宽度的挡光片，在滑块甲的右端和滑块乙的左端装上了弹性碰架(图中未画出)，可保证在滑块碰撞过程中能量损失极小。开始时，滑块甲被弹射装置锁定，滑块乙静置于两个光电门之间。(1)该同学用游标卡尺测量挡光片的宽度d如图2所示，则d_ cm。(2)为使碰撞后两个滑块能够先后通过光电门2，则选用下列哪组滑块能使实验效果更好_。A
10、m甲50 g，m乙50 gBm甲100 g，m乙50 gCm甲50 g，m乙100 g(3)某次实验时，该同学记录下滑块甲(质量为m甲)通过光电门1的时间为t1，滑块乙(质量为m2)通过光电门2的时间为t2，滑块甲通过光电门2的时间为t3，根据实验器材等测量条件确定误差范围。只要等式_成立，则可说明碰撞过程中动量守恒；只要等式_成立，则可说明这次碰撞为弹性碰撞。(注：以上2个等式必须用题目中所给的字母表示)解析：(1)游标卡尺的主尺读数为21 mm，游标读数为0.059 mm0.45 mm，则最终读数为21.45 mm2.145 cm；(2)为使碰撞后两个滑块能够先后通过光电门2，所以入射滑块
11、不能反弹，所以应用质量较大的滑块去碰质量较小的滑块，故选B项；(3)滑块经过光电门的速度分别为：v1，v2，v3。设甲的初速度方向为正方向，则由动量守恒定律有：m甲v1m甲v3m乙v2；代入速度公式则有：m甲m甲m乙；要保证为弹性碰撞，碰撞前后机械能守恒，则有：m甲2m甲2m乙2；即m甲2m甲2m乙2成立，即说明为弹性碰撞。答案：(1)2.145(2)B(3)m甲m甲m乙m甲2m甲2m乙2考法二数据处理和误差分析3用如图甲所示的装置验证动量守恒定律，小车P的前端粘有橡皮泥，后端连接通过打点计时器的纸带，在长木板右端垫放木块以平衡摩擦力，推一下小车P，使之运动，与静止的小车Q相碰粘在一起，继续运
12、动。(1)实验获得的一条纸带如图乙所示，根据点迹的不同特征把纸带上的点进行了区域划分，用刻度尺测得各点到起点A的距离。根据碰撞前后小车的运动情况，应选纸带上_(选填“AB”“BC”“CD”或“DE”)段来计算小车P的碰前速度。(2)测得小车P(含橡皮泥)的质量为m1，小车Q(含橡皮泥)的质量为m2，如果实验数据满足关系式_，则可验证小车P、Q碰撞前后动量守恒。(3)如果在测量小车P的质量时，忘记粘橡皮泥，则所测系统碰前的动量与系统碰后的动量相比，将_(填“偏大”或“偏小”或“相等”)。解析：(1)两小车碰撞前做匀速直线运动，在相等时间内小车位移相等，由题图乙所示纸带可知，应选择纸带上的BC段求
13、出小车P碰撞前的速度。(2)设打点计时器打点时间间隔为T，由题图乙所示纸带可知，碰撞前小车的速度：v，碰撞后小车的速度：v，如果碰撞前后系统动量守恒，则：m1v(m1m2)v，即：m1(m1m2)，整理得：m1(m1m2)；(3)在测量小车P的质量时，忘记粘橡皮泥，小车P质量的测量值小于真实值，由pmv可知，所测系统碰前的动量小于碰撞后系统的动量。答案：(1)BC(2)m1(m1m2)(3)偏小4某同学设计了一个用电磁打点计时器验证动量守恒定律的实验：在小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速直线运动，然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续做匀速直线运动。他设计的装置如图甲所示
14、，在小车A后连着纸带，电磁打点计时器的电源频率为50 Hz，长木板下垫着薄木片以平衡摩擦力。(1)若已测得打点纸带如图乙所示，并测得各计数点间距(已标在图上)。A为运动的起点，则应选_段来计算A碰前的速度，应选_段来计算A和B碰后的共同速度(以上均选填“AB”或“BC”或“CD”或“DE”)。(2)已测得A(包括橡皮泥)的质量m1 0.4 kg，B的质量m20.2 kg，则碰前两小车的总动量大小为_kgm/s，碰后两小车的总动量大小为_kgm/s。解析：(1)从题图乙中纸带上打点的情况看，BC段既表示小车做匀速运动，又表示小车有较大速度，因此BC段能较准确地描述A在碰前的运动情况，应选用BC段
15、计算A碰前的速度。从CD段打点的情况看，小车的运动情况还没稳定，而在DE段内小车运动稳定，故应选用DE段计算A和B碰后的共同速度。(2)取A的初速度方向为正方向，A在碰撞前的速度v0 m/s1.050 m/s，A在碰撞前的动量p0m1v00.41.050 kgm/s0.420 kgm/s，碰撞后两小车的共同速度v m/s0.695 m/s，碰撞后两小车的总动量p(m1m2)v(0.20.4)0.695 kgm/s0.417 kgm/s。答案：(1)BCDE(2)0.4200.417例1为了验证动量守恒定律(探究碰撞中的不变量)，某同学选取了两个材质相同、体积不等的立方体滑块A和B，按下述步骤进
16、行实验：步骤1：在A、B的相撞面分别装上尼龙拉扣，以便二者相撞以后能够立刻结为整体；步骤2：安装好实验装置如图甲，铝质轨道槽的左端是倾斜槽，右端是长直水平槽，倾斜槽和水平槽由一小段弧连接，轨道槽被固定在水平桌面上，在轨道槽的侧面与轨道等高且适当远处装一台数码频闪照相机；步骤3：让滑块B静置于水平槽的某处，滑块A从斜槽某处由静止释放，同时开始频闪拍摄，直到A、B停止运动，得到一幅多次曝光的数码照片；步骤4：多次重复步骤3，得到多幅照片，挑出其中最理想的一幅，打印出来，将刻度尺紧靠照片放置，如图乙所示。(1)由图分析可知，滑块A与滑块B碰撞发生的位置在_。P5、P6之间P6处P6、P7之间(2)为
17、了探究碰撞中动量是否守恒，需要直接测量或读取的物理量是_。A、B两个滑块的质量m1和m2滑块A释放时距桌面的高度频闪照相的周期照片尺寸和实际尺寸的比例照片上测得的s45、s56和s67、s78照片上测得的s34、s45、s56和s67、s78、s89滑块与桌面间的动摩擦因数写出验证动量守恒的表达式_。(3)请你写出一条有利于提高实验准确度或改进实验原理的建议：_。三步化“新”为“熟”1分析实验目的：验证动量守恒定律。2确定实验原理：碰撞后瞬间A、B一起运动的动量如果与碰撞前瞬间A的动量大小相等，则A、B碰撞过程中动量是守恒的。3制定数据处理方案：用天平测定滑块A、B的质量m1、m2，利用处理纸
18、带的方法求出碰撞前瞬间滑块A的速度v6，和碰撞后瞬间A、B一起运动的速度v6，如果满足：m1v6(m1m2)v6，则系统动量守恒。解析(1)由题图可知碰撞位置发生在P5、P6之间或P6处，又由于P6位置滑块速度明显减小，故A、B相撞的位置在P6处，故正确。(2)设碰撞前滑块A在P4、P5、P6的速度分别为v4、v5、v6，碰撞后，整体在P6、P7、P8的速度分别为v6、v7、v8，则v4，v5，又v5，解得碰撞前滑块A速度v6，同理，碰撞后整体的速度v6，需要验证的方程为m1v6(m1m2)v6，将以上两式代入整理得m1(2s56s45s34)(m1m2)(2s67s78s89)，故需要直接测
19、量的物理量是A、B两个滑块的质量m1和m2及s34、s45、s56和s67、s78、s89，故、正确。(3)提高实验准确度或改进实验原理的建议：使用更平整的轨道槽，轨道要平整，防止各段摩擦力不同，滑块做非匀变速运动。在足够成像的前提下，缩短频闪照相每次曝光的时间，碰撞时间很短，缩短频闪照相每次曝光的时间，使滑块碰撞位置拍摄更清晰、准确。适当增大相机和轨道槽的距离，相机和轨道槽的距离较小时，由于镜头拍摄引起的距离误差增大，应适当增大相机和轨道槽的距离。将轨道的一端垫起少许，平衡摩擦力，使得滑块碰撞前后都做匀速运动。答案(1)(2)m1(2s56s45s34)(m1m2)(2s67s78s89)(
20、3)见解析(任意一条即可)例2如图(a)所示，冲击摆是一个用细线悬挂着的摆块，弹丸击中摆块时陷入摆块内，使摆块摆至某一高度，利用这种装置可以测出弹丸的发射速度。实验步骤如下：用天平测出弹丸的质量m和摆块的质量M；将实验装置水平放在桌子上，调节摆绳的长度，使弹丸恰好能射入摆块内，并使摆块摆动平稳，同时用刻度尺测出摆长；让摆块静止在平衡位置，扳动弹簧枪的扳机，把弹丸射入摆块内，摆块和弹丸推动指针一起摆动，记下指针的最大偏角；多次重复步骤，记录指针最大偏角的平均值；换不同挡位测量，并将结果填入下表。挡位平均最大偏角(角度)弹丸质量m(kg)摆块质量M(kg)摆长l(m)弹丸的速度v(m/s)低速挡1
21、5.70.007 650.078 90.2705.03中速挡19.10.007 650.078 90.2706.77高速挡0.007 650.078 90.2707.15完成下列填空：(1)现测得高速挡指针最大偏角如图(b)所示，请将表中数据补充完整：_。(2)用上述测量的物理量表示发射弹丸的速度v_。(已知重力加速度为g)(3)为减小实验误差，每次实验前，并不是将指针置于竖直方向的零刻度处，常常需要试射并记下各挡对应的最大指针偏角，每次正式射击前，应预置指针，使其偏角略小于该挡的最大偏角。请写出这样做的一个理由：_。三步化“新”为“熟”1分析实验目的：利用冲击摆测出弹丸的速度。2确定实验原理
22、：由于mv(Mm)v，只要测出弹丸和摆块的质量m、M，再测量出弹丸和摆块一起向上摆的初速度v，即可由v求出弹丸的速度。3制定数据处理方案：由机械能守恒定律得：(mM)v2(mM)gl(1cos )，解得v。测出摆长l，最大偏角，即可求出v，再由动量守恒定律求得弹丸速度v即可。解析(1)分度值为1，故读数为22.4(22.122.7均正确)。(2)弹丸射入摆块内，系统动量守恒：mv(mM)v摆块向上摆动，由机械能守恒定律得：(mM)v2(mM)gl(1cos )，联立解得：v。(3)较大的速度碰撞指针，会损失较多的机械能(其他理由，如“摆块在推动指针偏转时要克服摩擦力做功”、“指针摆动较长的距离
23、损失的机械能较多”等，只要合理即可)。答案(1)22.4(22.122.7均正确)(2)(3)较大的速度碰撞指针，会损失较多的机械能例3某同学利用打点计时器和气垫导轨做“验证动量守恒定律”的实验，气垫导轨装置如图甲所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成。在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着一定数量的小孔，向导轨空腔内不断通入压缩空气，空气会从小孔中喷出，使滑块稳定地飘浮在导轨上，这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差。(1)下面是实验的主要步骤：安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；向气垫导轨空腔内通入压缩空气；把打点计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧
24、，将纸带穿过打点计时器和弹射架并固定在滑块1的左端，调节打点计时器的高度，直至滑块拖着纸带移动时，纸带始终在水平方向；使滑块1挤压导轨左端弹射架上的弹簧；把滑块2(左端带有橡皮泥)放在气垫导轨的中间；先_，然后_，让滑块带动纸带一起运动；取下纸带，重复步骤，选出理想的纸带如图乙所示；测得滑块1的质量为310 g，滑块2(包括橡皮泥)的质量为205 g。完善实验步骤的内容。(2)已知打点计时器每隔0.02 s打一个点，计算可知两滑块相互作用以前系统的总动量大小为_kgm/s；两滑块相互作用以后系统的总动量大小为_kgm/s(保留三位有效数字)。(3)试说明(2)中两结果不完全相等的主要原因是_。
25、三步化“新”为“熟”1分析实验目的：验证动量守恒定律。2确定实验原理：滑块1与滑块2发生完全非弹性碰撞，验证m1v1(m1m2)v2即可。3制定数据处理方案：根据纸带上点迹均匀的部分求出两个匀速运动的速度，并且较大的一个为碰前滑块1的速度，较小者为碰后滑块1、2的共同速度。解析(1)实验时应先接通打点计时器的电源，再放开滑块1。(2)取滑块1的初速度方向为正方向，相互作用前滑块1的速度v1 m/s2 m/s，系统的总动量为0.310 kg2 m/s0.620 kgm/s，两滑块相互作用后具有相同的速度v m/s1.2 m/s，系统的总动量为(0.3100.205)1.2 kgm/s0.618
26、kgm/s。(3)存在误差的主要原因是纸带与打点计时器限位孔间有摩擦。答案(1)接通打点计时器的电源放开滑块1(2)0.6200.618(3)纸带与打点计时器的限位孔间有摩擦创新角度归纳实验目的的创新1.利用动量守恒、机械能守恒计算弹丸的发射速度。2.减小实验误差的措施，体现了物理知识和物理实验的实用性、创新性和综合性。实验器材的创新1.利用气垫导轨代替长木板，利用光电门代替打点计时器，提高实验的精确度。2.利用相对误差评价实验结果。1.利用铝质导轨研究完全非弹性碰撞。2.利用闪光照相机记录立方体滑块碰撞前后的运动规律，从而确定滑块碰撞前后的速度。实验过程的创新1.用压缩弹簧的方式使两滑块获得速度，可使两滑块的合动量为零。2.利用v的方式获得滑块弹离时的速度。3.根据能量守恒定律测定弹簧的弹性势能。
