2019版高考物理总复习实验创新增分专题七验证动量守恒定律学案20180517383.doc
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1、实验七验证动量守恒定律一、实验目的验证动量守恒定律。二、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,算出碰撞前的动量pm1v1m2v2及碰撞后的动量pm1v1m2v2,看碰撞前后动量是否相等。三、实验器材斜槽、小球(两个)m1、m2,且m1m2、天平、三角板、带线重锤、直尺、复写纸、白纸、圆规等。四、实验步骤1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按照如图甲所示安装实验装置。调整、固定斜槽使斜槽底端水平。3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不放被撞小球,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
2、圆把小球所有的落点都圈在里面。圆心P就是小球落点的平均位置。如图乙所示。5把被撞小球放在斜槽末端,让入射小球从斜槽同一高度自由滚下,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。如图乙所示。6连接,测量线段、的长度,将测量数据填入表中。最后代入等式m1m1m2,看在误差允许的范围内是否成立。7整理好实验器材放回原处。8实验结论:在实验误差允许范围内,碰撞系统的动量守恒。五、数据处理验证表达式:m1m1m2。六、误差分析实验中发现碰撞后系统(m1、m2)水平方向的总动量小于碰撞前系统水平方向的总动量,误差主要来源于两个方面。1难做
3、到准确的正碰,则误差较大;斜槽末端若不水平,则得不到准确的平抛运动而造成误差。2O、P、M、N各点定位不准确,测量和作图有偏差。七、注意事项1本实验中两个小球质量不同,一定是质量大的作入射球,质量小的作被碰球,如果用质量小的与质量大的相碰,则质量小的球可能反弹,这样就不能准确测定入射小球碰后的速度。2该实验要确保斜槽末端水平。检验是否水平的方法是将小球轻轻放在斜槽末端的水平部分的任一位置,若小球均能保持静止,则表明斜槽末端已水平。3保证入射小球每次必须从同一高度由静止滚下,且尽可能地让小球的释放点高些。4实验过程中,实验桌、斜槽及白纸的位置始终不变。5在计算时一定要注意m1、m2和、的对应关系
4、。考点1基础实验 例1如图所示,用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律,即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。(1)实验中,直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的。但是,可以通过仅测量_(填选项前的符号),间接地解决这个问题。A小球开始释放高度hB小球抛出点距地面的高度HC小球做平抛运动的射程(2)图中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影。实验时,先让入射球 m1多次从斜轨上S位置静止释放,找到其平均落地点的位置P,测量平抛射程。然后,把被碰小球m2静置于轨道的水平部分,再将入射球m1从斜轨上S位置静止释放,与小球m2相碰,并多次重复。接下来要完成的必要步骤是_。(填选项前的符号)A用天平
5、测量两个小球的质量m1、m2B测量小球m1开始释放高度hC测量抛出点距地面的高度HD分别找到m1、m2相碰后平均落地点的位置M、NE测量平抛射程、(3)经测定,m145.0 g,m27.5 g,小球落地点的平均位置距O点的距离如图所示。碰撞前、后m1的动量分别为p1与p1,则p1p1_11;若碰撞后m2的动量为p2,则p1p211_。实验结果表明,碰撞前、后总动量的比值为_。(4)有同学认为,在上述实验中仅更换两个小球的材质(质量不变),其他条件不变,可以使被碰小球做平抛运动的射程增大。请你用(3)中已知的数据,分析和计算出被碰小球m2平抛运动射程ON的最大值为_cm。解析(1)小球碰前和碰后
6、的速度都用平抛运动来测定,即v,而由Hgt2知,每次竖直高度相等,所以平抛时间相等,则有m1m1m2,可得m1m1m2。故只需测量射程,因而选C。(2)由表达式知:在已知时,需测量m1、m2、和,故必要步骤有A、D、E。(3)p1m1,p1m1,联立可得p1p144.8035.201411p2m2则p1p2112.9故1.01(4)其他条件不变,使ON最大,则m1、m2发生弹性碰撞,则其动量和能量均守恒,有m1v0m1v1m2v2,mvm1vm2v可得v2而v2,v0故44.80 cm76.80 cm。答案(1)C(2)ADE(3)142.91.01(4)76.80在实验过程中一定要使实验尽可
7、能符合动量守恒的条件,即系统受到的合外力为零或某一方向系统受到的合外力等于零。我们常采用气垫导轨来减小摩擦阻力,达到好的实验效果。若用小球的碰撞实验验证动量守恒,则要保证小球的碰撞是对心碰撞,并且让主碰球的质量大于被碰球的质量,这样做可提高实验的准确性。(2017南宁模拟)如图所示为“验证碰撞中的动量守恒”实验装置示意图。(1)入射小球1与被碰小球2直径相同,均为d,它们的质量相比较,应是m1_m2。(2)为了保证小球做平抛运动,必须调整斜槽使_。(3)继续实验步骤为:A在地面上依次铺白纸和复写纸B确定重锤对应点OC不放球2,让球1从斜槽滑下,确定它落地点位置PD把球2放在立柱上,让球1从斜槽
8、滑下,与球2正碰后,确定球1和球2落地点位置M和NE用刻度尺量出、的长度F看m1m2与m1是否相等,以验证动量守恒上述步骤有几步不完善或有错误,请指出并写出相应的正确步骤。_。答案(1)(2)斜槽末端切线水平(3)D不完善,小球1应从斜槽的同一高度由静止释放;E选项中应补充“P、M、N点应该是多次实验落地点的平均位置”;F错误,应验证:m1m1m2(d)解析(1)入射小球1与被碰小球2直径相同,即d1d2,为防止两球碰撞后入射球反射,入射球质量应大于被碰球质量,即:m1m2。(2)要使小球做平抛运动,则斜槽的末端必须水平。(3)为使小球离开轨道时的初速度相等,每次释放小球时应从同一高度由静止释
9、放,故步骤D不完善;为减小实验误差,应取小球落地的平均位置作为小球的落地位置,故E不完善;两球离开轨道后做平抛运动,它们抛出点的高度相等,在空中的运动时间t相等,若碰撞过程动量守恒,则有:m1v1m1v1m2v2,两边同乘以t得:m1v1tm1v1tm2v2t,即为:m1m1m2(d),故步骤F错误。考点2创新实验一、利用气垫导轨和光电门完成实验1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、橡皮泥等。如图所示。2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
10、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)。(4)验证:一维碰撞中的动量守恒。3数据处理(1)滑块速度的测量:v,式中x为滑块挡光片的宽度(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。二、利用两辆小车在光滑木板上完成实验1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。如图所示。2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)
11、实验:接通电源,让小车A运动,小车B静止,两车碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两小车连接成一个整体运动。(4)测速度:通过纸带上两计数点间的距离及时间,由v 算出速度。(5)改变条件:改变碰撞条件,重复实验。(6)验证:一维碰撞中的动量守恒。3数据处理(1)小车速度的测量:v,式中x是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量,t为小车经过x的时间,可由打点间隔算出。(2)验证的表达式:m1v(m1m2)v。三、利用等长摆球的一维碰撞完成实验1实验器材带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。2实验步骤(1)测质量:用天平测出两小球的质量m1、m2。(2)安装:把两个等大小球用等长悬线
12、悬挂起来。(3)实验:一个小球静止,拉起另一个小球,放下时它们相碰。如图所示。(4)测速度:可以测量小球被拉起的角度,从而算出碰撞前对应小球的速度,测量碰撞后小球摆起的角度,算出碰撞后对应小球的速度。(5)改变条件:改变碰撞条件,重复实验。(6)验证:一维碰撞中的动量守恒。3数据处理(1)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可用刻度尺测量(也可由量角器和摆长计算出)。(2)验证的表达式:m1v1m1v1m2v2。例2气垫导轨工作时,可忽略滑块与导轨表面间的阻力影响,现借助其验证动量守恒定律,在水平气垫导轨上放置质量均为m的A、B(图中未标出)两滑块,左侧滑块的左端、
13、右侧滑块的右端分别与一条穿过打点计时器的纸带相连,打点计时器电源的频率为f。气垫导轨正常工作后,接通两个打点计时器的电源,待打点稳定后让两滑块以大小不同的速度相向运动,两滑块相碰后粘在一起继续运动。如图所示的甲和乙为某次实验打出的、分别与两个滑块相连的两条纸带,在纸带上以同间距的6个连续打点为一段划分纸带,用刻度尺分别测出其长度为s1、s2和s3。(1)若碰前滑块A的速度大于滑块B的速度,则滑块_(填“A”或“B”)是与纸带甲的_(填“左”或“右”)端相连。(2)碰撞前A、B两滑块的动量大小分别为_、_,实验需要验证是否成立的表达式为_(用题目所给的已知量表示)。解析(1)因碰前A的速度大于B
14、的速度,A、B的速度相反,且碰后速度相同,故根据动量守恒定律可知,图中s1和s3是两物体相碰前打出的纸带,s2是相碰后打出的纸带,所以滑块A应与甲纸带的左侧相连。(2)碰撞前物体的速度分别为:v10.2s1fv20.2s3f碰撞后两物体的共同速度:v0.2s2f所以碰前两物体动量分别为:p1mv10.2mfs1,p2mv20.2mfs3,总动量为pp1p20.2mf(s1s3);碰后总动量为:p2mv0.4mfs2。要验证动量守恒,则一定有:02mf(s1s3)0.4mfs2答案(1)A左(2)0.2mfs10.2mfs30.2mf(s1s3)0.4mfs2创新实验注意事项(1)前提条件:碰撞
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