山东省专用2018_2019学年高中物理第十六章动量守恒定律第1节实验探究碰撞中的不变量讲义含解析新人教版选修3_5.pdf
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1、第 1 节实验:探究碰撞中的不变量第 1 节实验:探究碰撞中的不变量 一、实验目的 1明确探究物体碰撞中的不变量的基本思路。 2探究一维碰撞中的不变量。 二、实验原理 在一维碰撞中,测出相碰撞两物体的质量m1、m2和碰撞前物体的速度v1、v2及碰撞后物 体的速度v1、v2,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
2、 : 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。 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 x t 直接测量),t为光电计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间。 2验证的表达式:m1v1m2v2m1v1m2v2 实验方案二 利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验 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。 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
3、个小球静止,拉起另一个小球,放下时它们相碰。 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。 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2gh 尺测量(也可由量角器和摆长计算出)。 2验证的表达式:m1v1m2v2m1v1m2v2 实验方案三 在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验 实验器材 光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥等。 实验步骤 1测质量:用天平测出两小车的质量。 2安装:
4、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。 x 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。 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 x 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:m1v1m2v2m1v1m2v2 实验方案四 利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律 实
5、验器材 斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等。 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:按照图甲所示安装实验装置。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放球找点: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
6、小球落点的平均位置N。如图所示。 6 验证 : 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m1OP m1OMm2ON,看在误差允许的范围内是否成立。 7结束:整理好实验器材放回原处。 数据处理 验证的表达式:m1OPm1OMm2ON 三、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。 (2)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。 (3)若利用两小车相碰进行验证,要注意平衡摩擦力。
7、 (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。 四、误差分析 1系统误差:主要来源于装置本身是否符合要求。 (1)碰撞是否为一维。 (2)实验是否满足动量守恒的条件,如气垫导轨是否水平,两球是否等大,用长木板实验 时是否平衡掉摩擦力。 2偶然误差:主要来源于质量m和速度v的测量。 例 1 利用如图所示的实验装置, 可探究碰撞中的不变量, 由于 小球的下落高度是定值,所以,小球落在地面上的水平位移就代表了平 抛运动时水平初速度的大小,这样碰前速度和碰后速度就可以用平抛 运动的水平位移来表示。 (1)多选为了尽量准确找到碰撞中的
8、不变量,以下要求正确的是_。 A入射小球的半径应该大于被碰小球的半径 B入射小球的半径应该等于被碰小球的半径 C入射小球每次应该从斜槽的同一位置由静止滑下 D斜槽末端必须是水平的 (2)多选关于小球的落点,下列说法正确的是_。 A如果小球每次从斜槽的同一位置由静止滑下,重复几次的落点一定是完全重合的 B由于偶然因素存在,重复操作时小球的落点不会完全重合,但是落点应当比较密集 C测定落点P的位置时,如果几次落点的位置分别为P1、P2、Pn,则落点的平均位 置OPOP 1OP2OPn n D尽可能用最小的圆把各个落点圈住,这个圆的圆心位置就是小球落点的平均位置 解析 (1)只有两个小球的半径相等,
9、才能保证碰后小球做平抛运动,所以 A 错误,B 正确;入射小球每次应该从斜槽的同一位置由静止滑下,才能使得小球做平抛运动的落点在 同一位置,所以 C 正确 ; 斜槽末端必须水平也是保证小球碰后做平抛运动的必要条件,所以 D 正确。 (2)为了提高实验的准确性,需要重复多次,找到小球做平抛运动落地的平均位置,只有 这样,才能有效减小偶然误差,因此 B、D 选项正确。 答案 (1)BCD (2)BD 例 2 如图所示为气垫导轨上两个滑块A、B相互作用后运动过程的频闪照片,频闪的 频率为 10 Hz。开始时两个滑块静止,它们之间有一根被压缩的轻弹簧,滑块用绳子连接,绳 子烧断后,两个滑块向相反方向运
10、动。已知滑块A、B的质量分别为 200 g、300 g,根据照片 记录的信息,A、B离开弹簧后,A滑块做_运动,其速度大小为_m/s,本实验 中得出的结论是_ _。 思路点拨 解析 由题图可知,A、B离开弹簧后,均做匀速直线运动,开始时vA0,vB0,A、B 被弹开后, vA0.09 m/s,vB0.06 m/s, mAvA0.20.09 kgm/s0.018 kgm/s mBvB0.30.06 kgm/s0.018 kgm/s 由此可得:mAvAmBvB, 即 0mBvBmAvA 结论是:两滑块组成的系统在相互作用过程中质量与速度乘积的矢量和守恒。 答案 匀速直线 0.09 两滑块组成的系统
11、在相互作用过程中质量与速度乘积的矢量 和守恒 例 3 在用气垫导轨做“探究碰撞中的不变量” 实验时,左侧滑块质量m1200 g,右侧滑块质量m2160 g,挡光片宽度为 3.00 cm,两 滑块之间有一压缩的弹簧片,并用细线将两滑块连在一起,如图所示。开始时两滑块静止, 烧断细线后,两滑块分别向左、右方向运动。挡光片通过光电门的时间分别为 t10.30 s, t20.24 s。则两滑块的速度分别为v1_m/s,v2_m/s。烧断细线前 m1v1m2v2_kgm/s, 烧断细线后m1v1m2v2_kgm/s。 可得到的结论 是_ _。 解析 由平均速度公式可得:v1 m/s0.1 m/s;v2
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