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1.4實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1．掌握動(dòng)量守恒定律適用范圍。
2．會(huì)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。
【學(xué)習(xí)重難點(diǎn)】
會(huì)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。
【學(xué)習(xí)過(guò)程】
一、實(shí)驗(yàn)思路
問(wèn)題1：我們應(yīng)該怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使兩個(gè)碰撞的物體所組成的系統(tǒng)所受外力的矢量和近似為0？
二、物理量的測(cè)量
問(wèn)題2：想要驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，需要測(cè)量哪些物理量？
（一）方案一：研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒
1．實(shí)驗(yàn)步驟：
（1）
____________________________________________。
（2）
____________________________________________。
（3）
_____________________________________________________________。
（4）驗(yàn)證的表達(dá)式：__________________________________。
2．?dāng)?shù)據(jù)處理
（1）滑塊速度的測(cè)量：v＝__________，式中Δx為_(kāi)___________________，Δt為_(kāi)_______________________________________。
（2）驗(yàn)證的表達(dá)式：________________________________________。
（二）方案二：利用斜槽上滾下的小球驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律
1．實(shí)驗(yàn)步驟：
（1）
________________________________________。
（2）
________________________________________。
（3）
____________________________________。
（4）放球找點(diǎn)，不放被撞小球，每次讓入射小球從斜槽上_____________處自由滾下，重復(fù)10次。用圓規(guī)畫盡量小的圓把所有的小球落點(diǎn)圈在里面。圓心F就是小球落點(diǎn)的平均位置。
（5）碰撞找點(diǎn)，把被撞小球放在斜槽末端，每次讓入射小球從斜槽_____________自由滾下，使它們發(fā)生碰撞，重復(fù)實(shí)驗(yàn)10次。用步驟4的方法，標(biāo)出碰后入射小球落點(diǎn)的平均位置和被撞小球落點(diǎn)的平均位置N，如圖所示。
（6）驗(yàn)證：連接N，測(cè)量線段OP、OM、ON的長(zhǎng)度。將測(cè)量數(shù)據(jù)填入表中。最后代入m1OP
（7）結(jié)束：整理好實(shí)驗(yàn)器材放回原處。
2．?dāng)?shù)據(jù)處理：
驗(yàn)證的表達(dá)式：__________________________________。
（三）方案三：在光滑桌面上兩車碰撞完成一維碰撞實(shí)驗(yàn)
1．實(shí)驗(yàn)器材：
___________________________________________________________。
2．實(shí)驗(yàn)步驟
（1）
_______________________________。
（2）
_______________________________。
_________________________________________________________。
（4）測(cè)速度：通過(guò)紙帶上兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離及時(shí)間由____________算出速度。
（5）改變條件：改變碰撞條件，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
（6）驗(yàn)證：一維碰撞中的動(dòng)量守恒。
3．?dāng)?shù)據(jù)處理
（1）小車速度的測(cè)量：__________，式中是______________________________，可用刻度尺測(cè)量，為_(kāi)_____________________________，可由打點(diǎn)間隔算出。
（2）驗(yàn)證的表達(dá)式：______________________________。
4．注意事項(xiàng)
（1）前提條件：碰撞的兩物體應(yīng)保證“__________”和“__________”。
（2）若利用“氣墊導(dǎo)軌”完成實(shí)驗(yàn)，調(diào)整氣墊導(dǎo)軌時(shí)，注意利用水平儀確保導(dǎo)軌水平。
若用“斜槽”完成實(shí)驗(yàn)，斜槽末端的切線必須__________，入射小球每次都必須從斜槽____________________由__________釋放。
5．誤差分析
（1）系統(tǒng)誤差：主要來(lái)源于裝置本身是否符合要求，即：
①碰撞是否為_(kāi)___________________。
②實(shí)驗(yàn)是否滿足動(dòng)量守恒的條件：
如氣墊導(dǎo)軌是否__________，兩球是否__________。
（2）偶然誤差：主要來(lái)源于質(zhì)量m和速度v的測(cè)量。
（3）改進(jìn)措施：
①設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)保證碰撞為一維碰撞，且盡量滿足動(dòng)量守恒的條件。
②采取多次測(cè)量求平均值的方法減小偶然誤差。
【課堂練習(xí)】
1．在“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中,入射球每次滾下都應(yīng)從斜槽上的同一位置無(wú)初速釋放,這是為了使( )
A．小球每次都能水平飛出槽口
B．小球每次都以相同的速度飛出槽口
C．小球在空中飛行的時(shí)間不變
D．小球每次都能對(duì)心碰撞
2．某同學(xué)使用兩個(gè)大小相同而質(zhì)量不等的小球，利用圖示裝置驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。將正確的實(shí)驗(yàn)操作獲得實(shí)驗(yàn)中落點(diǎn)痕跡到O點(diǎn)距離、、。A、B小球的質(zhì)量分別為、，且大于，若兩球碰撞動(dòng)量守恒，則滿足（　　）。
A． B．
C． D．
3．在做“碰撞中的動(dòng)量守恒”實(shí)驗(yàn)中，以下操作正確的是（ ）
A．在安裝斜槽軌道時(shí)，必須使斜槽末端的切線保持水平
B．入射小球沿斜槽下滑過(guò)程中，受到與斜槽的摩擦力會(huì)影響實(shí)驗(yàn)
C．白紙鋪到地面上后，實(shí)驗(yàn)時(shí)整個(gè)過(guò)程都不能移動(dòng)，但復(fù)寫紙不必固定在白紙上
D．復(fù)寫紙必須要將整張白紙覆蓋
4．如圖是《物理選修3-5》第十六章第一節(jié)中實(shí)驗(yàn)“探究碰撞中的不變量”推薦的參考案例一，利用強(qiáng)磁力片模擬小車的碰撞．則下列判斷正確的是________
A．利用氣墊導(dǎo)軌可以忽略滑塊與導(dǎo)軌接觸面間的摩擦力，保證兩滑塊系統(tǒng)外力和為零
B．利用氣墊導(dǎo)軌可以很容易保證兩個(gè)滑塊的碰撞是一維的
C．利用光電門可以迅速測(cè)量計(jì)算得到兩個(gè)滑塊碰撞前后的速度
D．該碰撞過(guò)程中，兩滑塊的動(dòng)能和不變
5．用氣墊導(dǎo)軌探究碰撞中的不變量時(shí)，不需要測(cè)量的物理量是（ ）
A．滑塊的質(zhì)量
B．擋光的時(shí)間
C．光電門與滑塊間的距離
D．光電門的高度
6．采用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律（圖中小球半徑相同、質(zhì)量均已知，且），下列說(shuō)法正確的是（　　）
A．實(shí)驗(yàn)中要求軌道末端必須保持水平
B．實(shí)驗(yàn)中不要求軌道必須光滑
C．驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，需測(cè)量、、和的距離
D．測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)偏離這條直線，直接測(cè)量距離不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果
7．如圖甲所示，在光滑的水平軌道上有甲、乙兩輛實(shí)驗(yàn)小車，甲車系著一條穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶，當(dāng)甲車受到水平向右的沖量的同時(shí)，立即啟動(dòng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器．甲車運(yùn)動(dòng)一段距離后，與靜止的乙車發(fā)生正碰并粘在一起運(yùn)動(dòng)，打出紙帶如圖所示。
（1）實(shí)驗(yàn)測(cè)得滑塊甲的質(zhì)量m1＝0.10kg，滑塊乙的質(zhì)量m2＝0.30kg；打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用交變電流的頻率f＝50.0Hz。則碰撞前后甲、乙兩物體的總動(dòng)量分別為_(kāi)_____kg·m/s、______kg·m/s（保留三位有效數(shù)字）；
（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：______。
8．如圖所示，氣墊導(dǎo)軌是一種常見(jiàn)的物理實(shí)驗(yàn)裝置，導(dǎo)軌上有很多小孔，氣泵送來(lái)的壓縮空氣從小孔噴出，使導(dǎo)軌上的滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力可以忽略不計(jì)。在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒”實(shí)驗(yàn)中，研究滑塊在無(wú)重物牽引下運(yùn)動(dòng)時(shí)是否滿足機(jī)械能守恒，則氣墊導(dǎo)軌應(yīng)處于___________（選填“水平”或“傾斜”）狀態(tài)；在“研究滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量是否守恒”實(shí)驗(yàn)中，氣墊導(dǎo)軌應(yīng)處于___________（選填“水平”或“傾斜”）狀態(tài)。
9．在“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)采用如圖所示的“碰撞實(shí)驗(yàn)器”來(lái)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。
（1）實(shí)驗(yàn)中必須要求的條件是___________（填選項(xiàng)前的字母）。
A．斜槽軌道盡量光滑以減少誤差
B．斜槽軌道末端的切線必須水平
C．入射球和被碰球的質(zhì)量必須相等，且大小相同
（2）圖中O點(diǎn)是小球拋出點(diǎn)在地面上的垂直投影。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先讓入射小球多次從斜槽上S位置由靜止釋放，找到其落地點(diǎn)的平均位置P，測(cè)量平拋射程OP。然后，把被碰小球靜置于軌道水平部分的末端，再將入射小球從斜槽上S位置由靜止釋放，與被碰小球相碰，并多次重復(fù)。空氣阻力忽略不計(jì)。接下來(lái)要完成的必要步驟是___________（填選項(xiàng)前的字母）。
A．測(cè)量?jī)蓚€(gè)小球的質(zhì)量、
B．測(cè)量入射小球開(kāi)始釋放時(shí)的高度h
C．測(cè)量拋出點(diǎn)距地面高度H
D．分別找到入射小球、被碰小球相碰后落地點(diǎn)的平均位置M、N
E.測(cè)量平拋射程OM、ON
（3）若兩球相碰前后的動(dòng)量守恒，則其表達(dá)式為_(kāi)__________；若碰撞是彈性碰撞，則還可以寫出的表達(dá)式為_(kāi)__________。（用上一問(wèn)中測(cè)量的量表示）
10．在探究碰撞中的不變量實(shí)驗(yàn)中，利用如圖所示的氣墊導(dǎo)軌通過(guò)閃光照相進(jìn)行這一實(shí)驗(yàn)。
某次實(shí)驗(yàn)時(shí)碰撞前B滑塊靜止，A滑塊勻速向B滑塊運(yùn)動(dòng)并發(fā)生碰撞，利用閃光照相的方法連續(xù)4次拍攝得到的閃光照片如圖所示。
已知相鄰兩次閃光的時(shí)間間隔為T，在這4次閃光的過(guò)程中，A、B兩滑塊均在0～80cm范圍內(nèi)，且第1次閃光時(shí)，滑塊A恰好位于x=10cm處。若A、B兩滑塊的碰撞時(shí)間及閃光持續(xù)的時(shí)間極短，均可忽略不計(jì)，則可知碰撞發(fā)生在第1次閃光后的___________時(shí)刻，如果碰撞前后質(zhì)量與速度乘積之和保持不變，則A、B兩滑塊質(zhì)量之比mA∶mB=___________。
參考答案：
1．B2．A3．AC4．ABC5．CD6．AB7． 0.200 0.196 在誤差允許的范圍內(nèi)，甲乙組成的系統(tǒng)碰撞前后動(dòng)量守恒8． 傾斜 水平9． B ADE 10． 2.5T 2∶3

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