1、第3节实验：验证动量守恒定律对应学生用书p119一、实验原理在一维碰撞中，测出两物体的质量m1和m2、碰撞前后两物体的速度分别为v1、v2和v1、v2，算出碰撞前的动量p_m1v1m2v2_及碰撞后的动量p_m1v1m2v2_，看碰撞前后动量是否守恒二、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、弹射架、胶布、撞针、橡皮泥等：带细线的_摆球(两套)_、铁架台、_天平_、量角器、坐标纸、胶布等：光滑长木板、_打点计时器_、纸带、_小车(两个)_、天平、撞针、橡皮泥：斜槽、_小球(两个)_、天平、_复写纸_、白纸等三、实验步骤：利用气垫导轨完成一维碰撞实验1测质
2、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：利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验1测质量：用天平分别测出_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验证：一维碰撞中的动量守恒：在长木板上两车碰撞完成
3、一维碰撞实验1测质量：用天平测出_两小车的质量_2安装：首先在长木板下一端垫一小木片，平衡摩擦力，再将打点计时器固定在长木板的一端，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：利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律1用_天平_分别测出半径相同的两小球的质量，并选定_质量大的_小球为入射小球2按图所示安装实验装置调整固定斜槽使_斜槽底端切线水平_3白纸在下
4、，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不放被碰小球，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把被碰小球放在斜槽末端，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.如图所示6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_m1OPm1OMm2ON，看在误差允许的范围内是否成立7整理好实验器材放回原处8实验结论：在实验误差范围内，_在碰撞过程中系统的动量守恒_四、注意事项1前
5、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_同一竖直平面内_(3)若利用长木板进行实验，须在长木板下一端垫一小木片用以平衡摩擦力(4)若利用斜槽进行实验，入射球质量要_大于_被碰球质量，即：m1m2，防止碰后m1反弹3探究结论：寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变五、误差分析1系统误差：主要来源于装置本身是否符合要求，即：(1)碰撞是否为一维碰撞(2)实验是否满足动量守恒的条件：如气垫导轨是否水平，两
6、球是否等大，用长木板做这个实验时是否平衡了摩擦力2偶然误差：主要来源于_质量m和速度v的测量_对应学生用书p120例1某同学用如图所示的装置，研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量和机械能关系图中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多次从斜轨上的G位置静止释放，找到其平均落地点的位置P，测量出平抛的射程OP.然后把被碰小球m2静置于轨道的水平部分，再将入射小球m1从斜轨上的G位置由静止释放，与小球m2相碰，并且多次重复实验得到小球的落点的平均位置分别为M、N.(1)实验必须要求满足的条件是_A斜槽轨道必须是光滑的B斜槽轨道末端的切线是水平的C测量抛出点距地面的高度HD若入
7、射小球质量为m1，被碰小球质量为m2，则m1m2(2)若实验结果满足_，就可以验证碰撞过程中动量守恒(3)若碰撞是弹性碰撞，那么还应该满足的表达式为_.解析 (1)为使小球做平抛运动且每次初速度相同，应保证斜槽末端水平，小球每次都从同一点滑下，但是轨道不一定是光滑的，故A项错误，B项正确；因为平抛运动的时间相等，根据v，用水平射程可以代替速度，不需要测量抛出点距地面的高度H，需测量小球平抛运动的射程间接测量速度为了防止入射球反弹，球m1的质量应大于球m2的质量，故C错误，D正确(2)根据平抛运动可知，落地高度相同，则运动时间相同，设落地时间为t，则：v0v1v2若动量守恒则：m1v0m1v1m
8、2v2若两球相碰前后的动量守恒，需要验证表达式：m1OPm1OMm2ON(3)若为弹性碰撞，则碰撞前后系统动能相同，有：m1vm1vm2v即满足关系式：m1OM2m2ON2m1OP2.答案 (1)BD(2)m1OPm1OMm2ON(3)m1OP2m1OM2m2ON2【变式1】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，某同学选收了两个体积相同、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)按照如图所示的那样，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，将一斜面连接在斜槽末端先不放小球m2，让小球m1从斜槽顶端A
9、处由静止开始滚下，记下小球在斜面上的落点位置将小球放在斜槽末端边缘处，让小球m1从斜槽顶端A处由静止开始滚下，使它们发生碰撞，记下小球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几个落点位置，到B点的距离分别为 LD、LE、LF.(1)小球m1和m2发生碰撞后，m1的落点是图中的_点，m2的落点是图中的_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_，则说明两小球的碰撞是弹性碰撞解析 (1)小球m1和小球m2相撞后，小球m2的速度增大，小球m1的速度减小，都做
10、平抛运动，所以碰撞后m1球的落地点是D点，m2球的落地点是F点(2)碰撞前，小球m1落在图中的E点，设其水平初速度为v1.小球m1和m2发生碰撞后，m1的落点在图中的D点，设其水平初速度为v1，m2的落点是图中的F点，设其水平初速度为v2.设斜面BC与水平面的倾角为，由平抛运动规律得LDsin gt2LDcos v1t解得：v1同理可解得v1，v2所以只要满足m1v1m2v2m1v1即m1m1m2则说明两球碰撞过程中动量守恒(3)若两小球的碰撞是弹性碰撞，则碰撞前后机械能没有损失则要满足关系式m1vm1v12m2v即m1LEm1LDm2LF答案 (1)DF(2)m1m1m2(3)m1LEm1L
11、Dm2LF例2 小刚同学设计了一个用电磁打点计时器(打点频率为50 Hz)验证动量守恒定律的实验：(1)下面是实验的主要步骤：把长木板放置在水平桌面上，其中一端用薄木片垫高；把打点计时器固定在长木板的一端；将纸带穿过打点计时器并固定在小车A的一端；在小车A的前端固定橡皮泥，让小车B静止放置在木板上；先_，再_，接着与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体继续运动；(以上两空填写后续描述中的字母符号：a.推动小车A使之运动；b.接通电源)关闭电源，取下纸带，换上新纸带，重复步骤，选出较理想的纸带如图乙所示；用天平测得小车A的质量为m10.4 kg，小车B的质量为m20.2 kg.(2)在上述实验
12、步骤中，还需完善的步骤是_；(填写步骤序号并完善该步骤)(3)若已测得打点纸带如图乙所示，并测得各计数点间距(已标在图上)A为运动的起点，则应选_段来计算A碰前的速度应选_段来计算A和B碰后的共同速度；(以上两空选填“AB”或“BC”或“CD”或“DE”)(4)根据以上实验数据计算，碰前两小车的总动量为_kgm/s，碰后两小车的总动量为_kgm/s.(以上两空结果保留三位有效数字)(5)试说明(4)问中两结果不完全相等的主要原因是_解析 (1)实验时要先接通电源，再释放小车，因此实验步骤：先b，再a，接着与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体继续运动；(2)实验前要平衡摩擦力，在上述实验步骤
13、中，还需完善的步骤是，调节薄木片的位置，轻推小车使之能匀速下滑；(3)从分析纸带上打点情况看，BC段既表示小车做匀速运动，又表示小车有较大速度，因此BC段能较准确地描述小车A在碰前的运动情况，应选BC段来计算A碰前速度从CD段打点情况看，小车的运动情况还没稳定，而在DE段内小车运动稳定，故应选DE段来计算A和B碰后的共同速度(4)打点计时器打点时间间隔为0.02 s，小车A在碰前的速度：v0 m/s1.050 m/s小车A在碰前的动量：p0mAv00.401.050 kgm/s0.420 kgm/s碰后A、B的共同速度：v共 m/s0.695 m/s碰后A、B的总动量：p(mAmB)v共(0.
14、20.4)0.695 kgm/s0.417 kgm/s(5)实验过程中，由于小车受到空气阻力，小车受到的合外力不为零，使动量不守恒答案 (1)ba(2)，调节薄木片的位置，轻推小车，使之能匀速下滑(3)BCDE(4)0.4200.417(5)小车受到空气阻力【变式2】某同学用如图所示的装置验证动量守恒定律水平气垫导轨(轨道与滑块间的摩擦力忽略不计)上装有两个光电计时装置C和D，可记录遮光片的遮光时间；滑块A、B静止放在导轨上实验步骤如下：调节气垫导轨水平；测量滑块A、B的质量分别为mA、mB；测量滑块A、B上遮光片的宽度分别为d1、d2；给滑块A一个向右的瞬时冲量，让滑块A经过光电计时装置C后
15、，再与静止的滑块B发生碰撞，之后B、A依次通过光电计时装置D；待B、A完全通过光电计时装置D后用手按住；记录光电计时装置C显示的时间t1和装置D显示的时间依次为t2、t3.回答下列问题：(1)调节气垫导轨水平时，判断导轨水平的方法是_(2)完成上述实验步骤需要的测量工具有_(填选项前的字母代号)A天平 B秒表 C刻度尺 D游标卡尺(3)按照该同学的操作，若两滑块相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为_(用实验中测量的量表示)(4)通过实验来“验证动量守恒定律”，不论采用何种方案，都要测得系统内物体作用前后的速度用光电计时装置，比用打点计时器测速度的优势是_(写出一条即可)解析 (1)在调整气垫导
16、轨水平时，滑块不挂钩码和细线，接通气源后，给滑块一个初速度，使它从轨道左端向右运动，发现滑块通过光电门1的时间等于通过光电门2的时间即可(2)根据题目中实验的步骤，结合实验的原理可知，还没有测量的物理量为滑块的质量以及遮光片的宽度，所以需要的实验器材为托盘天平(带砝码)、游标卡尺，故AD符合题意，BC不符合题意(3)若两滑块相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为：mAv1mAv3mBv2三个速度分别为：v1，v2，v3联立可得：mAmBmA；(4)打点计时器还需要测量各段的位移大小，存在一定偶然的误差，而光电计数器时间的误差更小答案 (1)见解析(2)AD(3)mAmBmA(4)见解析例3 为了
17、验证碰撞中的动量守恒，某同学做了如下实验：将一已知质量为m1的滑块A放于足够大的水平面上，将另一已知质量为m2(m2m1)的小球B系于绳的一端，绳的另一端固定在A的正上方O点，且绳长刚好等于O到A的距离现将B拉至与竖直方向成一定角度并将其由静止释放，释放后A、B发生正碰，已知滑块A与水平面间的动摩擦因数为(忽略两物体的大小及空气阻力)，为了完成实验，则：(1)只需用一个测量仪器即可完成本实验，该仪器为_(2)本实验需要直接测量的物理量是_(3)表示碰撞中动量守恒的表达式为_(用题中已知量和(2)中测量的物理量表示)解析 设小球B开始下摆时的高度为h1，碰撞后B上摆的最大高度为h2，小球摆动过程
18、机械能守恒，由机械能守恒定律得：m2gh1m2v，m2gh2m2v，解得：v0，vB，碰撞后，对A，由动能定理得：m1gxm1v解得：vA，碰撞过程系统动量守恒，以向右为正方向，由动量守恒定律得：m2v0m2vBm1vA，整理得：m2m2m1 ；实验需要测量小球B运动的高度h1、h2与A滑行距离x，需要用毫米刻度尺；实验需要测量：B球开始下落时距地面的高度h1，碰撞后B上升的高度h2，碰撞后A滑行的距离x；实验需要验证的表达式为：m2m2m1.答案 (1)毫米刻度尺(2)B球开始下落时距地面的高度h1，碰撞后B上升的高度h2，碰撞后A滑行的距离x(3)m2m2m1【变式3】用如图所示的装置进行
19、“验证动量守恒定律”的实验：(1)先测出可视为质点的两滑块A、B的质量分别为M、m及滑块与桌面之间的动摩擦因数；(2)用细线将滑块A、B连接，使A、B间轻弹簧处于压缩状态，滑块B恰好紧靠在桌边；(3)剪断细线，测出滑块B做平抛运动落地的水平位移s1，滑块A沿桌面滑行的距离s2(未滑出桌面)为验证动量守恒定律，写出还需要测量的物理量及表示它的字母_，如果弹簧弹开过程动量守恒，需满足的关系式_解析 (1)剪断细线后B做平抛运动，要求B的初速度，需要知道运动的高度和水平距离，所以还需要测量桌面离地面的高度h；(2)如果动量守恒，则剪断细线前后动量相等，剪断前两滑块速度都为零，所以总动量为零，剪断后，B做平抛运动，tvBs1A做匀减速直线运动，根据动能定理得：MvMgs2，计算得出：vA 所以必须满足的关系为MvAmvB代入数据得：Mms1答案 (2)B到地面的高度h(3)Mms1
