1、实验16验证动量守恒定律-2-一、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,找出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p=m1v1+m2v2,看碰撞前后动量是否守恒。三、实验器材方案一: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。方案二:带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。方案三:光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥。方案四:斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等。-3-四、实验步骤方案一:利用气垫导轨完成一维碰撞实验(如图1所
2、示)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。-4-方案二:利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验(如图2所示)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。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
3、证:一维碰撞中的动量守恒。-5-方案三:在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验(如图3所示)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,把两小车连接成一体运动。4.测速度:通过纸带上两计数点间的距离及时间由 算出速度。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-方案四:利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律(如图4所示)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
4、球。2.安装:按照图4所示安装实验装置。调整固定斜槽使斜槽底端水平。-7-3.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和被撞小球落点的平均位置N。如图5所示。-8-6.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=m
5、1OM+m2ON,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。-9-五、数据处理1.速度的测量方案一:滑块速度的测量:,式中x为滑块挡光片的宽度(仪器说明书上给出,也可直接测量),t为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间。方案二:摆球速度的测量:,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)。方案三:小车速度的测量:,式中x是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量,t为小车经过x的时间,可由打点间隔算出。2.验证的表达式方案一、二、三:m1v1+m2v2=m1v1+m2v2。方案四:m1OP=m1OM+m2ON-10-六、
6、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实验,调整气垫导轨时,注意利用水平仪确保导轨水平。(2)若利用摆球进行实验,两小球静放时球心应在同一水平线上,且刚好接触,摆线竖直,将小球拉起后,两条摆线应在同一竖直面内。(3)若利用长木板进行实验,可在长木板下垫一小木片用以平衡摩擦力。-11-六、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实验,调整气垫导轨时,注意利用水平仪确保导轨水平。(2)若利用摆球进行实验,两小球静放时球心应在同一水平线上,且刚好接触,摆线竖直,将小球拉起后,两条摆线应在同一
7、竖直面内。(3)若利用长木板进行实验,可在长木板下垫一小木片用以平衡摩擦力。-12-(4)若利用斜槽小球碰撞应注意;斜槽末端的切线必须水平;入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放;选质量较大的小球作为入射小球;实验过程中实验桌、斜槽、记录的白纸的位置要始终保持不变。-13-考点一考点二实验原理与操作实验原理与操作例1如图,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C(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hB.小球抛出点距地面的高度HC.小球做平抛运动的射
8、程-14-考点一考点二(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位置静止释放,找到其平均落地点的位置P,测出平抛射程OP,然后,把被碰小球m2静置于抛道的水平部分,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ADE或DEA或DAE。(填选项前的符号)A.用天平测量两个小球的质量m1、m2B.测量小球m1开始释放高度hC.测量抛出点距地面的高度HD.分别找到m1、m2相碰后平均落地点的位置M、NE.测量平抛射程OM、ON-15-考点一考点二(3)若两球相碰前后的动量守恒,其表达式可表示为m1OM+m2ON=m1O
9、P用(2)中测量的量表示;若碰撞是弹性碰撞,那么还应满足的表达式为m1OM2+m2ON2=m1OP2用(2)中测量的量表示。-16-考点一考点二解题探究:为什么可以用小球做平抛运动的射程代表小球的速度?如何确定小球的落点位置?验证动量守恒和动能守恒需要知道哪些物理量?提示:小球做平抛运动下落的高度相同,飞行时间相同,而水平射程x=v0t,故可用平抛运动的射程代表小球的速度。提示:用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面,圆心就是小球的落地点。提示:相碰的两个小球的质量和碰撞前后的速度。-17-考点一考点二(2)本实验要验证的是m1OM+m2ON=m1OP,因此要测量两个小球的质量m1和m2
10、以及它们的水平射程OM和ON,而要确定水平射程,应先分别确定两个小球落地的平均落点,没有必要测量小球m1开始释放的高度h和抛出点距地面的高度H。故应完成的步骤是ADE或DEA或DAE。-18-考点一考点二-19-考点一考点二数据处理和误差分析数据处理和误差分析例2某同学设计了一个用打点计时器验证动量守恒定律的实验:在小车A的前端粘有橡皮泥,推动小车A使之做匀速运动。然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体继续做匀速运动。他设计的具体装置如图甲所示,在小车A后连着纸带,电磁打点计时器的电源频率为50 Hz,长木板下垫着小木片以平衡摩擦力。-20-考点一考点二(1)若已得到打点纸带如图乙所示,
11、并测得各计数点间距标在图上,A为运动起始的第一点,则应选BC段计算A的碰前速度,应选DE段来计算A和B碰后的共同速度。(均选填“AB”“BC”“CD”或“DE”)(2)已测得小车A的质量m1=0.40 kg,小车B的质量m2=0.20 kg,由以上测量结果可得:碰前总动量为0.420 kgm/s,碰后总动量为0.417 kgm/s。-21-考点一考点二(1)若已得到打点纸带如图乙所示,并测得各计数点间距标在图上,A为运动起始的第一点,则应选BC段计算A的碰前速度,应选DE段来计算A和B碰后的共同速度。(均选填“AB”“BC”“CD”或“DE”)(2)已测得小车A的质量m1=0.40 kg,小车
12、B的质量m2=0.20 kg,由以上测量结果可得:碰前总动量为0.420 kgm/s,碰后总动量为0.417 kgm/s。-22-1231.气垫导轨上有A、B两个滑块,开始时两个滑块静止,它们之间有一根被压缩的轻质弹簧,滑块间用绳子连接(如图甲所示),绳子烧断后,两个滑块向相反方向运动,图乙为它们运动过程的频闪照片,频闪的频率为10 Hz,由图可知:(1)A、B离开弹簧后,应该做匀速直线 运动,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,从图中可以看出闪光照片有明显与事实不相符合的地方是A、B两滑块各自的第一个间隔。(2)若不计此失误,分开后,A的动量大小为0.018
13、 kgm/s,B的动量大小为0.018 kgm/s,本实验中得出“在实验误差允许范围内,两滑块组成的系统动量守恒”这一结论的依据是A、B两滑块作用前后总动量相等,均为零。4 点击查看题图关闭-24-1234-25-1232.在做“验证动量守恒定律”实验时,入射球a的质量为m1,被碰球b的质量为m2,小球的半径为r,各小球的落地点如图所示,下列关于这个实验的说法正确的是()A.让入射球与被碰球连续10次相碰,每次都要使入射球从斜槽上不同的位置滚下B.要验证的表达式是m1ON=m1OM+m2OPC.要验证的表达式是m1OP=m1OM+m2OND.要验证的表达式是m1(OP-2r)=m1(OM-2r
14、)+m2ON4 答案解析解析关闭入射球每次滚下必须从斜槽的同一位置,保证每次碰撞都具有相同的初动量,故选项A错误;两球做平抛运动时都具有相同的起点,故应验证的关系式为m1OP=m1OM+m2ON,选项C正确,B、D错误。答案解析关闭C-26-1233.某同学用如图1所示装置通过半径相同的A、B两球(mAmB)的碰撞来验证动量守恒定律。图中PQ是斜槽,QR为水平槽。实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下,落到位于水平地面的记录纸上,留下痕迹。重复上述操作10次,得到10个落点痕迹。再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方,让A球仍从位置G由静止开始滚下,和B球碰撞后,A、B球分别在记录纸
15、上留下各自的落点痕迹,重复这种操作10次。图1中O点是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点。B球落点痕迹如图2所示,其中刻度尺水平放置,且平行于G、R、O所在的平面,刻度尺的零点与O点对齐。4-27-123(1)碰撞后B球的水平射程应取65.7 cm。(2)(多选)在以下选项中,本次实验必须进行测量的有ABD(填选项号)。A.水平槽上未放B球时,测量A球落点位置到O点的距离B.A球与B球碰撞后,测量A球及B球落点位置到O点的距离C.测量A球或B球的直径D.测量A球和B球的质量(或两球质量之比)E.测量水平槽面相对于O点的高度4 -28-123(3)实验中,关于入射球在斜槽上释放点的高低对实验影响
16、的说法中正确的是(C )A.释放点越低,小球受阻力越小,入射小球速度越小,误差越小B.释放点越低,两球碰后水平位移越小,水平位移测量的相对误差越小,两球速度的测量越准确C.释放点越高,两球相碰时,相互作用的内力越大,碰撞前后动量之差越小,误差越小D.释放点越高,入射小球对被碰小球的作用力越大,轨道对被碰小球的阻力越小4-29-1234解析:(1)用一尽可能小的圆把小球落点圈在里面,可知圆心的位置是65.7 cm,这也是小球落点的平均位置。(2)本实验中要测量的数据有两个小球的质量m1、m2,三个落点到O点的距离x1、x2、x3,所以应选A、B、D。(3)入射球的释放点越高,入射球碰前速度越大,
17、相碰时内力越大,阻力的影响相对越小,可以较好的满足动量守恒的条件,也有利于减小测量水平位移时的相对误差,从而使实验的误差减小,选项C正确。-30-1234.为了验证碰撞中的动量守恒和检验两个小球的碰撞是否为弹性碰撞,某同学选取了两个体积相同、质量不相等的小球,按下述步骤做了如下实验:用天平测出两个小球的质量(分别为m1和m2,且m1m2);按照如图所示,安装好实验装置。将斜槽AB固定在桌边,使槽的末端处的切线水平。将一斜面BC连接在斜槽末端;先不放小球m2,让小球m1从斜槽顶端A处由静止开始滚下,记下小球在斜面上的落点位置。将小球m2放在斜槽末端边缘处,让小球m1从斜槽顶部A处滚下,使它们发生碰撞后,记下小球m1和m2在斜面上的落点位置;用毫米刻度尺量出各个落点位置到斜槽末端点B的距离。图中D、E、F点是该同学记下的小球在斜面上的三个落点位置,到B点的距离分别为LD、LE、LF。根据该同学的实验,回答下列问题:点击查看题图4关闭-32-(1)小球m1和m2发生碰撞后,m1的落点是图中的D点,m2的落点是图中的F点。(2)用测得的物理量来表示,只要满足关系式_,则说明碰撞中动量守恒。(3)用测得的物理量来表示,只要再满足关系式m1LE=m1LD+m2LF,则说明两小球的碰撞是弹性碰撞。1234 -33-1234
