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.wps
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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 p m1v1m2v2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
2、度处自由滚下,重复 10次。用圆规画尽 量小的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, 1 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ON,测量线段OP、OM、ON的长度,将测量数据填入表中。最后代入等式m1OP m1OMm2ON,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:m1OPm1OMm2ON。
3、 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
4、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OP、OM、ON的对应关系。 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 h 2 B小球抛出点距地面的高度 H C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
5、止释放,找到其平均落地点的位置 P,测量平抛射程OP。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用天平测量两个小球的质量 m1、m2 B测量小球 m1开始释放高度 h C测量抛出点距地面的高度 H D分别找到 m1、m2相碰后平均落地点的位置 M、N E测量平抛射程OM、ON (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
6、 p1p211_。 p1 实验结果表明,碰撞前、后总动量的比值 为_。 p1p2 (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。 x 1 解析 (1)小球碰前和碰后的速度都用平抛运动来测定,即 v ,而由 H gt2知,每次 t 2 OP OM ON 竖直 高度相等,所以平抛时间相等,则有 m1 m1 m2 ,可得 t t t m1OPm1OMm2ON。故只需测量射程,因而选 C。 (2)由表达式知:在OP已知时,需测量 m1、m2、
7、OM和ON,故必要步骤有 A、D、E。 OP OM (3)p1m1 ,p1m1 ,联立可得 t t p1p1OPOM44.8035.201411 ON p2m2 t OM ON 则 p1p2( m2 112.9 m1 t ) ( t ) p1 m1OP 故 1.01 p1p2 m1OMm2ON (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 1 1 1 m1v0m1v1m2v2, mv20 m1v21 m2v2 2 2 2 3 2m1v0 可得 v2 m1m2 ON OP 而 v2 ,v0 t t 2m1 2 45.0 故ON OP 44.80 cm7
8、6.80 cm。 m1m2 45.07.5 答案 (1)C (2)ADE (3)14 2.9 1.01 (4)76.80 在实验过程中一定要使实验尽可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
9、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 O C不放球 2,让球 1 从斜槽滑下,确定它落地点位置 P D把球 2 放在立柱上,让球 1 从斜槽滑下,与球 2 正碰后,确定球 1 和球 2 落地点位置 M 和 N E用刻度尺量出OM、OP、ON的长度 F看 m1OMm2ON与 m1OP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 4 (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
10、位置”;F 错误,应验证:m1OPm1OMm2(ONd) 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:m1v1tm1v1tm2v2
11、t,即为: m1OPm1OMm2(ONd),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 x (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 t 接测量)
12、,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。 5 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)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。 x (4)测速度:通过纸带上两计数点间的距离及时间,由 v
13、算出速度。 t (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 x (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 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
14、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。 6 3数据处理 (1)摆球速度的测量:v 2gh,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、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
15、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
16、 的速度大于 B 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: s1 s1 v1 0.2s1f t 5T s3 v2 0.2s3f t 碰撞后两物体的共同速度: s2 v 0.2s2f t 7 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
17、)A 左 (2)0.2mfs1 0.2mfs3 0.2mf(s1s3)0.4mfs2 创新实验注意事项 (1)“”“前提条件:碰撞的两物体应保证 水平 和 正碰”。 (2)方案提醒 若利用气垫导轨进行验证,调整气垫导轨时,应注意利用水平仪确保导轨水平。 若利用摆球进行验证,两摆球静止时球心应在同一水平线上,且刚好接触,摆线竖直, 将摆球拉起后,两摆线应在同一竖直面内。 若利用两小车相碰进行验证,要注意平衡摩擦力。 某同学利用如图所示的装置验证动量守恒定律。图中两摆摆长相同,悬挂于同一高度,A、 B 两摆球均很小,质量之比为 12。当两摆球均处于自由静止状态时,其侧面刚好接触。向右 上方拉动 B
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- 2019 高考 物理 复习 实验 创新 专题 验证 动量 守恒定律 20180517383
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