資源簡介

(共24張PPT)
第一章 動量守恒定律
1.4 實驗：驗證動量守恒定律
本節課我們通過實驗驗證動量守恒定律。
一、 實驗思路
動量守恒定律的適用條件是系統不受外力，或者所受外力的矢量和為0。我們生活中的物體受到各種力的作用，難以滿足這種理想化的條件。但是，在某些情況下，可以近似滿足動量守恒的條件。
想一想，滿足上述條件的過程有哪些
我們可以考慮物體發生碰撞的情況。兩個物體在發生碰撞時，作用時間很短。根據動量定理，它們的相互作用力很大。如果把這兩個物體看作一個系統，那么，雖然系統還受到重力、支持力、摩擦力、空氣阻力等外力的作用，但是其中有些力的矢量和為0，有些力與系統內兩物體的相互作用力相比很小。因此，可以近似認為碰撞滿足動量守恒定律的條件。
你也可以考慮其他符合動量守恒條件的情形來驗證動量守恒定律。在設計實驗時應著重考慮如下問題。
·實驗中哪些物體組成了要研究的系統
·如何創造實驗條件，使系統所受外力的矢量和近似為0
·需要測量哪些物理量
二、 物理量的測量
研究對象確定后，還需要明確所需測量的物理量和實驗器材。根據動量的定義，很自然地想到，需要測量物體的質量，以及兩個物體發生碰撞前后各自的速度。
物體的質量可用天平直接測量。想一想，有哪些方式可以測量速度 你在設計實驗方案時會選擇哪種 為什么
思考與討論
三 、數據分析
根據選定的實驗方案設計實驗數據記錄表格。選取質量不同的兩個物體進行碰撞，測出物體的質量 (m1，m2) 和碰撞前后的速度(v1，v1′，v2，v2′)，分別計算出兩物體碰撞前后的總動量，并檢驗碰撞前后總動量的關系是否滿足動量守恒定律，即
m1v1′＋m2v2′＝m1v1＋m2v2
參考案例 1
研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒
本案例中，我們利用氣墊導軌來減小摩擦力，利用數字計時器測量滑塊碰撞前后的速度。實驗裝置如圖 1.4-1所示。可以通過在滑塊上添加已知質量的物塊來改變碰撞物體的質量。
本實驗可以研究以下幾種情況。
1.選取兩個質量不同的滑塊，在兩個滑塊相互碰撞的端面裝上彈性碰撞架(圖1.4-2)，滑塊碰撞后隨即分開。
2. 在兩個滑塊的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥(圖1.4-3)，碰撞時撞針插入橡皮泥中，使兩個滑塊連成一體運動。如果在兩個滑塊的碰撞端分別貼上尼龍搭扣，碰撞時它們也會連成一體。
3.原來連在一起的兩個物體，由于相互之間具有排斥的力而分開，這也可視為一種碰撞。這種情況可以通過下面的方式實現。
在兩個滑塊間放置輕質彈簧，擠壓兩個滑塊使彈簧壓縮，并用一根細線將兩個滑塊固定。燒斷細線，彈簧彈開后落下，兩個滑塊由靜止向相反方向運動(圖1.4-4)。
實驗前請思考：
1.氣墊導軌是否需要調成水平 如果需要，你能想出哪些辦法
2. 如果物體碰撞后的速度方向與原來的方向相反，應該怎樣記錄
研究斜槽末端小球碰撞時的動量守恒
本案例中，我們研究兩個小球在斜槽末端發生碰撞的情況。
參考案例 2
實驗裝置如圖 1.4-5 所示。將斜槽固定在鐵架臺上，使槽的末端水平。讓一個質量較大的小球(入射小球)從斜槽上滾下，跟放在斜槽末端的另一個大小相同、質量較小的小球(被碰小球)發生撞。
使入射小球從斜槽不同高度處滾下，測出兩球的質量以及它們每次碰撞前后的速度，就可以驗證動量守恒定律。
小球的質量可以用天平來測量。怎樣測量兩球碰撞前后瞬間的速度呢 兩個小球碰撞前后瞬間的速度方向都是水平的，因此，兩球碰撞前后的速度，可以利用平拋運動的知識求出。
在這個實驗中也可以不測量速度的具體數值。做平拋運動的小球落到地面，它們的下落高度相同，飛行時間也就相同。因此，小球碰撞后的速度之比就等于它們落地時飛行的水平距離之比。根據這一思路，也可以驗證動量守恒定律。
實驗前請思考以下問題：
1. 實驗裝置中的鉛垂線起什么作用
2. 如何記錄并測量小球飛出的水平距離
1.如圖1.4-6甲，長木板的一端墊有小木塊，可以微調木板的傾斜程度，以平衡摩擦力，使小車能在木板上做勻速直線運動。小車A前端貼有橡皮泥，后端連一打點計時器紙帶，接通打點計時器電源后，讓小車A以某速度做勻速直線運動，與置于木板上靜止的小車B相碰并粘在一起，繼續做勻速直線運動。
學以致用-提高練習
打點計時器電源頻率為50Hz，得到的紙帶如圖1.4-6乙所示，已將各計數點之間的距離標在圖上。
(1) 圖中的數據有AB、BC、CD、DE 四段，計算小車A碰撞前的速度大小應選哪段 計算兩車碰撞后的速度大小應選哪段 為什么
解：計算小車 A 碰前速度大小應選 BC 段，計算兩車碰后速度大小應選 DE 段.
AB 段小車 A 處于加速階段，說明小車 A 還未達到受力平衡狀態，而 CD 段為變速階段，說明兩車還沒有碰撞結束.
解：碰前小車 A 動量 pA＝mAvA，vA＝＝1.712 m/s
則 pA＝0.6848 kg·m/s，pB＝0，
故碰撞前兩小車總動量 p＝pA＋pB＝ 0.6848 kg·m/s
碰后兩小車總動量 p′＝(mA＋mB)v共，而 v共＝＝1.140 m/s
則 p′＝0.6840 kg·m/s.
(2) 若小車A的質量為 0.4 kg，小車B的質量為 0.2kg，根據紙帶數據，碰前兩小車的總動量是多少 碰后兩小車的總動量是多少
2. 某同學用圖1.4-5所示的實驗裝置和實驗步驟來驗證動量守恒定律。小球1的質量為m1，它從斜槽上某點滾下，離開斜槽末端時的速度記為 v1 (稱為第一次操作)；小球2的質量為 m2 ，小球1第二次從斜槽上原位置滾下，跟小球2碰撞后離開斜槽末端的速度分別記為v1′和 v2′ (稱為第二次操作)。實驗所驗證的計算式為
m1v1 ＝ m1v1－ m2v2′
(1) 如果第二次操作時，小球1從斜槽上開始滾下時位置比原先低一些，這將會影響計算式中哪個或哪幾個物理量 如果其他的操作都正確，實驗將會得到怎樣的結果 說明道理。
解：會影響 v1′ 和 v2′，進而對碰撞前小球 1 的初速度 v1 有影響，
使 v1實＜v1測，即得到的結果是 m1v1＞m1v1′＋m2v2′.
因為真正碰撞時，小球 1 碰前速度 v1實 小于實驗過程中測量的小球 1 碰前速度 v1測 (第一次操作).
(2) 如果在第二次操作時，發現在第一次操作中，槽的末端是不水平的，有些向上傾斜于是把它調為水乎，調整后的斜槽末端離地面高度跟原來相同。然后讓小球在斜槽上原標記位置滾下進行第二次操作，分析時仍然和第一次操作的數據進行比較，其他實驗操作都正確且調節斜槽引起小球在空中運動時間的變化可忽略不計。該實驗可能會得到怎樣的結果 說明道理。
解：碰撞后系統的總動量大于碰撞前小球1的動量.
設斜槽末端向上傾斜的角度為θ (與水平方向的夾角為θ)，則第一次操作中，小球1到達斜槽末端的水平速度的真實值為 v1cosθ，第二次操作中，小球 1 到達斜槽末端的水平速度為，
則有 v1實′＞v1測′，即 m1v1＜m1v1′＋m2v2′.

展開更多......

收起↑