資源簡介

實驗八　驗證動量守恒定律
方案一　利用兩輛小車完成一維碰撞實驗
[實驗器材]
光滑長木板、打點計時器、紙帶、小車(兩輛)、天平、撞針、橡皮泥、刻度尺等．
[實驗步驟]
1．測質(zhì)量：用天平測出兩小車的質(zhì)量．
2．安裝：將打點計時器固定在光滑長木板的一端，把紙帶穿過打點計時器，連在小車的后面，在兩小車的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥．
3．實驗：小車B靜止，接通電源，讓小車A運動，碰撞時撞針插入橡皮泥中，兩小車連接成一個整體運動．
4．改變條件重復(fù)實驗
(1)改變小車A的初速度．
(2)改變兩小車的質(zhì)量．
[數(shù)據(jù)處理]
1．小車速度的測量：通過紙帶上兩計數(shù)點間的距離及時間，由v＝計算．
2．驗證的表達式：m1v1＝(m1＋m2)v2.
方案二　研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時的動量守恒
[實驗器材]
氣墊導(dǎo)軌、光電計時器、天平、滑塊(兩個)、重物、彈簧片、細繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥、游標卡尺等．
[實驗步驟]
1．測質(zhì)量：用天平測出滑塊質(zhì)量．
2．安裝：正確安裝好氣墊導(dǎo)軌．
3．實驗：接通電源，利用配套的光電計時裝置測出兩滑塊各種情況下碰撞前后的速度(①改變滑塊的質(zhì)量；②改變滑塊的初速度大小和方向)．
[數(shù)據(jù)處理]
1．滑塊速度的測量：v＝，式中Δx為滑塊擋光片的寬度(儀器說明書上給出，也可直接測量)，Δt為光電計時器顯示的滑塊(擋光片)經(jīng)過光電門的時間．
2．驗證的表達式
m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2.
方案三　利用斜槽滾球驗證動量守恒定律
[實驗器材]
斜槽、小球(兩個)、天平、復(fù)寫紙、白紙、圓規(guī)、刻度尺等．
[實驗步驟]
1．測質(zhì)量：用天平測出兩小球的質(zhì)量，并選定質(zhì)量大的小球為入射小球．
2．安裝：按照如圖所示安裝實驗裝置．調(diào)整固定斜槽使斜槽底端水平．
3．鋪紙：白紙在下，復(fù)寫紙在上且在適當位置鋪放好．記下重垂線所指的位置O.
4．單球找點：不放被撞小球，每次讓入射小球從斜槽上某固定高度處自由滾下，重復(fù)10次．用圓規(guī)畫盡量小的圓把所有的小球落點圈在里面．圓心P就是小球落點的平均位置．
5．碰撞找點：把被撞小球放在斜槽末端，每次讓入射小球從斜槽同一高度自由滾下，使它們發(fā)生碰撞，重復(fù)實驗10次．用步驟4的方法，標出碰后入射小球落點的平均位置M和被撞小球落點的平均位置N，如圖所示．改變?nèi)肷湫∏虻尼尫鸥叨龋貜?fù)實驗．
[數(shù)據(jù)處理]
1．小球水平射程的測量：連接ON，測量線段OP、OM、ON的長度．
2．驗證的表達式：m1·OP＝m1·OM＋m2·ON.
[注意事項]
1．前提條件：碰撞的兩物體應(yīng)保證“水平”和“正碰”．
2．方案提醒
(1)若利用氣墊導(dǎo)軌進行驗證，給滑塊的初速度應(yīng)沿著導(dǎo)軌的方向．
(2)若利用兩小車相碰進行驗證，要注意平衡摩擦力．
(3)若利用平拋運動規(guī)律進行驗證，安裝實驗裝置時，應(yīng)注意調(diào)整斜槽，使斜槽末端水平，且選質(zhì)量較大的小球為入射小球．
考點　教材原型實驗
典例　某同學驗證兩個小球在斜槽末端碰撞時的動量守恒，實驗裝置如圖1所示．A、B為兩個直徑相同的小球．實驗時，不放B，讓A從固定的斜槽上E點自由滾下，在水平面上得到一個落點位置；將B放置在斜槽末端，讓A再次從斜槽上E點自由滾下，與B發(fā)生正碰，在水平面上又得到兩個落點位置．三個落點位置標記為M、N、P.
(1)為了確認兩個小球的直徑相同，該同學用10分度的游標卡尺對它們的直徑進行了測量，某次測量的結(jié)果如圖2所示，其讀數(shù)為________ mm.
(2)下列關(guān)于實驗的要求正確的是________．
A．斜槽的末端必須是水平的
B．斜槽的軌道必須是光滑的
C．必須測出斜槽末端的高度
D．A、B的質(zhì)量必須相同
(3)如果該同學實驗操作正確且碰撞可視為彈性碰撞，A、B碰后在水平面上的落點位置分別為________、________.(填落點位置的標記字母)
變式　某實驗小組利用如圖所示的實驗裝置驗證動量守恒定律，實驗主要步驟如下：
Ⅰ.調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平，并將氣墊導(dǎo)軌固定，用電子秤測得兩滑塊的質(zhì)量分別為m1＝0.200 kg和m2＝0.400 kg；
Ⅱ.將滑塊A、B放在導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)B的位置，使A與B接觸時，A的左端到左邊擋板的距離s1與B的右端到右邊擋板的距離s2相等，測得s1＝s2＝0.450 m；
　　　　　　 　　　　 　
Ⅲ.使A以一定的初速度沿氣墊導(dǎo)軌向左運動，先后與左邊擋板、B碰撞，用手機上的某軟件記錄A從與左邊擋板碰撞時刻開始到與B碰撞所用的時間t0＝0.90 s，分別記錄從A和B碰撞時刻開始到各自撞到擋板所用的時間tA＝3.30 s和tB＝1.44 s.
請回答下列問題：
(1)實驗中，A、B碰撞后的運動方向相反，則應(yīng)選取質(zhì)量為________kg的滑塊作為B.
(2)A、B從開始接觸到分離，A的動量減少量是________kg·m/s，B的動量增加量是________kg·m/s.(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)
(3)A、B的這次碰撞是非彈性碰撞的依據(jù)是________．
A.＞－ B.＞＋
C.＜－ D.＜＋
考點　實驗的創(chuàng)新與改進
實驗?zāi)康牡膭?chuàng)新 (1)利用動量守恒、機械能守恒計算彈丸的發(fā)射速度． (2)減小實驗誤差的措施，體現(xiàn)了物理知識和物理實驗的實用性、創(chuàng)新性和綜合性
實驗方案的創(chuàng)新 (1)利用鋁質(zhì)導(dǎo)軌研究完全非彈性碰撞． (2)利用頻閃照相機記錄立方體滑塊碰撞前后的運動規(guī)律，從而確定滑塊碰撞前后的速度
實驗過程的創(chuàng)新 (1)用壓縮彈簧的方式使兩滑塊獲得速度，可使兩滑塊的合動量為零． (2)利用v＝的方式獲得滑塊彈離時的速度． (3)根據(jù)能量守恒定律測定彈簧的彈性勢能
1．[數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新]某同學為了驗證對心碰撞過程中的動量守恒定律，設(shè)計了如下實驗：用紙板搭建如圖所示的滑道，使硬幣可以平滑地從斜面滑到水平面上，其中OA為水平段．選擇相同材質(zhì)的一元硬幣和一角硬幣進行實驗．
測量硬幣的質(zhì)量，得到一元和一角硬幣的質(zhì)量分別為m1和m2(m1>m2)．將硬幣甲放置在斜面某一位置，標記此位置為B.由靜止釋放甲，當甲停在水平面上某處時，測量甲從O點到停止處的滑行距離OP.將硬幣乙放置在O處，左側(cè)與O點重合，將甲放置于B點由靜止釋放．當兩枚硬幣發(fā)生碰撞后，分別測量甲、乙從O點到停止處的滑行距離OM和ON.保持釋放位置不變，重復(fù)實驗若干次，得到OP、OM、ON的平均值分別為s0、s1、s2.
(1)在本實驗中，甲選用的是________(填“一元”或“一角”)硬幣．
(2)碰撞前，甲到O點時速度的大小可表示為________(設(shè)硬幣與紙板間的動摩擦因數(shù)為μ，重力加速度為g)．
(3)若甲、乙碰撞過程中動量守恒，則＝________(用m1和m2表示)，然后通過測得的具體數(shù)據(jù)驗證硬幣對心碰撞過程中動量是否守恒．
2．[實驗方案創(chuàng)新]利用“類牛頓擺”驗證碰撞過程中的動量守恒定律．實驗器材：兩個半徑相同的球1和球2，細線若干，坐標紙，刻度尺．
實驗步驟：
(1)測量小球1、2的質(zhì)量分別為m1、m2，將小球各用兩細線懸掛于水平支架上，各懸點位于同一水平面，如圖甲所示．
(2)將坐標紙豎直固定在一個水平支架上，使坐標紙與小球運動平面平行且盡量靠近．坐標紙每一小格是邊長為d的正方形．將小球1拉至某一位置A，由靜止釋放，垂直坐標紙方向用手機高速連拍．
(3)分析連拍照片得出，球1從A點由靜止釋放，在最低點與球2發(fā)生水平方向的正碰，球1反彈后到達的最高位置為B，球2向左擺動的最高位置為C，如圖乙所示．已知重力加速度為g，碰前球1的動量大小為________．若滿足關(guān)系式________，則驗證碰撞中動量守恒．
(4)與用一根細線懸掛小球相比，本實驗采用雙線擺的優(yōu)點是__________________.
(5)球1在最低點與靜止的球2水平正碰后，球1向右反彈擺動，球2向左擺動．若為彈性碰撞，則可判斷球1的質(zhì)量________(填“大于”“等于”或“小于”)球2的質(zhì)量．若為非彈性碰撞，則________(填“能”或“不能”)比較兩球質(zhì)量大小？理由是_________________________________________.
答案及解析
考點　教材原型實驗
典例　某同學驗證兩個小球在斜槽末端碰撞時的動量守恒，實驗裝置如圖1所示．A、B為兩個直徑相同的小球．實驗時，不放B，讓A從固定的斜槽上E點自由滾下，在水平面上得到一個落點位置；將B放置在斜槽末端，讓A再次從斜槽上E點自由滾下，與B發(fā)生正碰，在水平面上又得到兩個落點位置．三個落點位置標記為M、N、P.
(1)為了確認兩個小球的直徑相同，該同學用10分度的游標卡尺對它們的直徑進行了測量，某次測量的結(jié)果如圖2所示，其讀數(shù)為________ mm.
(2)下列關(guān)于實驗的要求正確的是________．
A．斜槽的末端必須是水平的
B．斜槽的軌道必須是光滑的
C．必須測出斜槽末端的高度
D．A、B的質(zhì)量必須相同
(3)如果該同學實驗操作正確且碰撞可視為彈性碰撞，A、B碰后在水平面上的落點位置分別為________、________.(填落點位置的標記字母)
解析：(1)由游標卡尺的讀數(shù)規(guī)則可知，該讀數(shù)為10 mm＋0.1×5 mm＝10.5 mm.
(2)為了保證小球做平拋運動，斜槽末端必須水平，A正確；斜槽光滑與否對實驗不產(chǎn)生影響，只要保證兩次實驗小球A從同一位置由靜止釋放即可，B錯誤；實驗中兩小球做平拋運動，下落時間相同，不需要測量斜槽末端的高度，C錯誤；為了防止A球反彈，應(yīng)使A球的質(zhì)量大于B球的質(zhì)量，D錯誤．
(3)兩球發(fā)生彈性碰撞，又A球的質(zhì)量大于B球的質(zhì)量，由vA＝v0，vB＝v0可知，N點為小球A單獨滾下時的落點，A、B碰后，A球的落點為M點，B球的落點為P點．
答案：(1)10.5　(2)A　(3)M　P
變式　某實驗小組利用如圖所示的實驗裝置驗證動量守恒定律，實驗主要步驟如下：
Ⅰ.調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平，并將氣墊導(dǎo)軌固定，用電子秤測得兩滑塊的質(zhì)量分別為m1＝0.200 kg和m2＝0.400 kg；
Ⅱ.將滑塊A、B放在導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)B的位置，使A與B接觸時，A的左端到左邊擋板的距離s1與B的右端到右邊擋板的距離s2相等，測得s1＝s2＝0.450 m；
　　　　　　 　　　　 　
Ⅲ.使A以一定的初速度沿氣墊導(dǎo)軌向左運動，先后與左邊擋板、B碰撞，用手機上的某軟件記錄A從與左邊擋板碰撞時刻開始到與B碰撞所用的時間t0＝0.90 s，分別記錄從A和B碰撞時刻開始到各自撞到擋板所用的時間tA＝3.30 s和tB＝1.44 s.
請回答下列問題：
(1)實驗中，A、B碰撞后的運動方向相反，則應(yīng)選取質(zhì)量為________kg的滑塊作為B.
(2)A、B從開始接觸到分離，A的動量減少量是________kg·m/s，B的動量增加量是________kg·m/s.(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)
(3)A、B的這次碰撞是非彈性碰撞的依據(jù)是________．
A.＞－ B.＞＋
C.＜－ D.＜＋
解析：(1)要保證A以一定的速度碰撞靜止的B后，A反彈，則需滿足mA(2)A與B碰撞前瞬間A的速度大小v0＝＝0.500 m/s，A與B碰撞后瞬間A的速度大小vA1＝＝0.136 m/s，A與B碰撞后瞬間B的速度大小vB1＝＝0.313 m/s，所以A動量的減少量|ΔpA|＝|－m1vA1－m1v0|＝0.127 kg·m/s，B動量的增加量ΔpB＝m2vB1－0＝0.125 kg·m/s.
(3)碰前瞬間A的動能Ek0＝m1v，碰后瞬間A和B的總動能Ek總＝m1v＋m2v，若該過程發(fā)生非彈性碰撞，則Ek0>Ek總，結(jié)合(2)問分析可得＞＋，B正確．
答案：(1)0.400　(2)0.127　0.125　(3)B
考點　實驗的創(chuàng)新與改進
1．[數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新]某同學為了驗證對心碰撞過程中的動量守恒定律，設(shè)計了如下實驗：用紙板搭建如圖所示的滑道，使硬幣可以平滑地從斜面滑到水平面上，其中OA為水平段．選擇相同材質(zhì)的一元硬幣和一角硬幣進行實驗．
測量硬幣的質(zhì)量，得到一元和一角硬幣的質(zhì)量分別為m1和m2(m1>m2)．將硬幣甲放置在斜面某一位置，標記此位置為B.由靜止釋放甲，當甲停在水平面上某處時，測量甲從O點到停止處的滑行距離OP.將硬幣乙放置在O處，左側(cè)與O點重合，將甲放置于B點由靜止釋放．當兩枚硬幣發(fā)生碰撞后，分別測量甲、乙從O點到停止處的滑行距離OM和ON.保持釋放位置不變，重復(fù)實驗若干次，得到OP、OM、ON的平均值分別為s0、s1、s2.
(1)在本實驗中，甲選用的是________(填“一元”或“一角”)硬幣．
(2)碰撞前，甲到O點時速度的大小可表示為________(設(shè)硬幣與紙板間的動摩擦因數(shù)為μ，重力加速度為g)．
(3)若甲、乙碰撞過程中動量守恒，則＝________(用m1和m2表示)，然后通過測得的具體數(shù)據(jù)驗證硬幣對心碰撞過程中動量是否守恒．
解析：(1)根據(jù)題意可知，甲與乙碰撞后沒有反彈，可知甲的質(zhì)量大于乙的質(zhì)量，甲選用的是一元硬幣．
(2)甲從O點到P點，根據(jù)動能定理得
－μm1gs0＝0－m1v
解得碰撞前，甲到O點時速度的大小v0＝.
(3)由(2)問同理可得，碰撞后甲的速度和乙的速度分別為v1＝，v2＝
若動量守恒，則滿足m1v0＝m1v1＋m2v2
整理可得＝.
答案：(1)一元　(2)　(3)
2．[實驗方案創(chuàng)新]利用“類牛頓擺”驗證碰撞過程中的動量守恒定律．實驗器材：兩個半徑相同的球1和球2，細線若干，坐標紙，刻度尺．
實驗步驟：
(1)測量小球1、2的質(zhì)量分別為m1、m2，將小球各用兩細線懸掛于水平支架上，各懸點位于同一水平面，如圖甲所示．
(2)將坐標紙豎直固定在一個水平支架上，使坐標紙與小球運動平面平行且盡量靠近．坐標紙每一小格是邊長為d的正方形．將小球1拉至某一位置A，由靜止釋放，垂直坐標紙方向用手機高速連拍．
(3)分析連拍照片得出，球1從A點由靜止釋放，在最低點與球2發(fā)生水平方向的正碰，球1反彈后到達的最高位置為B，球2向左擺動的最高位置為C，如圖乙所示．已知重力加速度為g，碰前球1的動量大小為________．若滿足關(guān)系式________，則驗證碰撞中動量守恒．
(4)與用一根細線懸掛小球相比，本實驗采用雙線擺的優(yōu)點是________________________________________________________.
(5)球1在最低點與靜止的球2水平正碰后，球1向右反彈擺動，球2向左擺動．若為彈性碰撞，則可判斷球1的質(zhì)量________(填“大于”“等于”或“小于”)球2的質(zhì)量．若為非彈性碰撞，則________(填“能”或“不能”)比較兩球質(zhì)量大小？理由是_________________________________________.
解析：(3)對小球1下落到最低點的過程，設(shè)向左為正方向，根據(jù)動能定理得m1g·9d＝m1v，碰前動量為p1＝m1v1＝3m1，碰后小球1、2的速度分別為v′1＝－，v2＝2，如果動量守恒，則滿足m1v1＝m1v′1＋m2v2，即2m1＝m2.
(4)雙擺線能保證小球運動更穩(wěn)定，使得小球的運動軌跡在同一豎直平面內(nèi)，避免小球做圓錐擺運動．
(5)根據(jù)彈性碰撞的特征，由動量守恒定律及機械能守恒定律有m1v1＝m1v′1＋m2v2，m1v＝m1v′＋m2v，解得v′1＝v1，球1反彈，則說明球1的質(zhì)量小于球2的質(zhì)量；如果為非彈性碰撞，球1碰后速度反向，根據(jù)動量守恒定律有m1v0＝－m1v1＋m2v2，可知m2v2>m1v0，同時需要滿足碰后機械能不增加，有m1v＝＞m2v＝，可知m1必然小于m2.
答案：(3)3m1　2m1＝m2　(4)雙擺線能保證小球運動更穩(wěn)定，使得小球的運動軌跡在同一豎直平面內(nèi)　(5)小于　能　理由見解析(共32張PPT)
實驗八　驗證動量守恒定律
第六章　碰撞與動量守恒
實驗基礎(chǔ) 記熟背牢
原型實驗 創(chuàng)新改進
謝 謝 觀 看
O

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