【步步高】2020年高考物理大一轮 实验十六 验证动量守恒定律 新人教版选修3-5

实验十六验证动量守恒定律 一、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pm1v1m2v2及碰撞后的动量pm1v1m2v2，看碰撞前后动量是否守恒二、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、橡皮泥方法四：斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等三、实验步骤方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验(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(改变滑块的质量改变滑块的初速度大小和方向)碰撞前后的速度(4)验证：一维碰撞中的动量守恒方案二：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方案三：在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验(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方法四：利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律(1)用天平测出两小球的质量，并选定质量大的小球为入射小球图1(2)按照图1所示安装实验装置调整、固定斜槽使斜槽底端水平(3)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)不放被撞小球，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小球所有的落点都圈在里面圆心P就是小球落点的平均位置图2(5)把被撞小球放在斜槽末端，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2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m1m1m2，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，碰撞系统的动量守恒四、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，用等长悬线悬挂后两小球刚好接触，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(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被反弹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考点一利用气垫导轨验证动量守恒定律典例剖析例1某同学利用打点计时器和气垫导轨做验证动量守恒定律的实验，气垫导轨装置如图3甲所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着一定数量的小孔，向导轨空腔内不断通入压缩空气，空气会从小孔中喷出，使滑块稳定地漂浮在导轨上，这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差图3(1)下面是实验的主要步骤：安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；向气垫导轨通入压缩空气；把打点计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧，将纸带穿过打点计时器和弹射架并固定在滑块1的左端，调节打点计时器的高度，直至滑块拖着纸带移动时，纸带始终在水平方向；使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；把滑块2放在气垫导轨的中间，已知碰后两滑块一起运动；先_，然后_，让滑块带动纸带一起运动；取下纸带，重复步骤，选出较理想的纸带如图乙所示；测得滑块1(包括撞针)的质量310 g，滑块2(包括橡皮泥)的质量为205 g.试着完善实验步骤的内容(2)已知打点计时器每隔0.02 s打一个点，计算可知两滑块相互作用前质量与速度的乘积 之和为_ kgm/s；两滑块相互作用以后质量与速度的乘积之和为_ kgm/s(保留三位有效数字)(3)试说明(2)问中两结果不完全相等的主要原因是_.考点二利用平抛运动验证动量守恒定律典例剖析例2(2020北京理综21(2)如图4，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图4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_(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程图中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，测量平抛射程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_(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开始释放的高度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若两球相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为_(用中测量的量表示)；若碰撞是弹性碰撞，那么还应满足的表达式为_(用中测量的量表示)经测定，m145.0 g，m27.5 g，小球落地点的平均位置距O点的距离如图5所示碰撞前、后m1的动量分别为p1与p1，则p1p1_11；若碰撞结束时m2的动量为p2，则p1p211_.图5实验结果说明，碰撞前、后总动量的比值为_有同学认为，在上述实验中仅更换两个小球的材质，其他条件不变，可以使被碰小球做平抛运动的射程增大，请你用中已知的数据，分析和计算出被碰小球m2平抛运动射程ON的最大值为_cm.1. 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6所示，下列关于这个实验的说法正确的是 ()图6A入射球与被碰球最好采用大小相同、质量相等的小球B让入射球与被碰球连续10次相碰，每次都要使入射小球从斜槽上不同的位置滚下C要验证的表达式是m1m1m2D要验证的表达式是m1m1m2E要验证的表达式是m1(2r)m1(2r)m2图72. 某同学用如图7所示装置验证动量守恒定律，用轻质细线将小球1悬挂于O点，使小球1的球心到悬点O的距离为L，被碰小球2放在光滑的水平桌面上将小球1从右方的A点(OA与竖直方向的夹角为)由静止释放，摆到最低点时恰与小球2发生 正碰，碰撞后，小球1继续向左运动到C位置，小球2落到水平地面上到桌面边缘水平距离为x的D点(1)实验中已经测得上述物理量中的、L、x，为了验证两球碰撞过程动量守恒，还应该测量的物理量有_(2)请用测得的物理量结合已知物理量来表示碰撞前后小球1、小球2的动量：p1_；p1_；p2_；p2_.3为了验证碰撞中的动量守恒，实验宜在气垫导轨上进行，这样可以大大减小阻力，使滑块在碰撞前后的运动可以看成是匀速运动使实验的可靠性及准确度得以提高在某次实验中，A、B两铝制滑块在一水平长气垫导轨上相碰，用闪光照相机每隔0.4秒的时间拍摄一次照片，每次拍摄时闪光的延续时间很短，如图8所示，已知A、B之间的质量关系是mB1.5mA，拍摄共进行了4次，第一次是在两滑块相撞之前，以后的三次是在碰撞之后A原来处于静止状态，设A、B滑块在拍摄闪光照片的这段时间内是在10 cm至105 cm这段范围内运动(以滑块上的箭头位置为准)，试根据闪光照片求出：图8(1)A、B两滑块碰撞前后的速度各为多少？(2)根据闪光照片分析说明两滑块碰撞前后动量是否守恒4.气垫导轨(如图9)工作时，空气从导轨表面的小孔喷出，在导轨表面和滑块内表面之间形成一层薄薄的空气层，使滑块不与导图9轨表面直接接触，大大减小了滑块运动时的阻力为了验证动量守恒定律，在水平气垫导轨上放置两个质量均为a的滑块，每个滑块的一端分别与穿过打点计时器的纸带相连，两个打点计时器所用电源的频率均为b.气垫导轨正常工作后，接通两个打点计时器的电源，并让两滑块以不同的速度相向运动，两滑块相碰后粘在一起继续运动图10为某次实验打出的点迹清晰的纸带的一部分，在纸带上以相同间距的6个连续点为一段划分纸带，用刻度尺分别量出其长度x1、x2和x3.若题中各物理量的单位均为国际单位，那么，碰撞前两滑块的动量大小分别为_、_，两滑块的总动量大小为_；碰撞后两滑块的总动量大小为_重复上述实验，多做几次若碰撞前、后两滑块的总动量在实验误差允许的范围内相等，则动量守恒定律得到验证图105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11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：图11(1)A、B离开弹簧后，应该做_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 _ (2)若不计此失误，分开后，A的动量大小为_kgm/s，B的动量的大小为_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_答案课堂探究例1(1)接通打点计时器的电源放开滑块1(2)0.6200.618(3)纸带与打点计时器的限位孔有摩擦例2CADE或DEA或DAEm1OMm2ONm1OPm1OM2m2ON2m1OP2142.91(11.01均可)76.8随堂训练1D2(1)小球1的质量m1，小球2的质量m2，桌面高度h，OC与竖直方向的的夹角 (2)m1m10m2x3见解析解析(1)由题意可知，碰前：vA0碰后：从发生碰撞到第二次拍摄照片，A运动的时间是t1 s0.2 s由此可知，从拍摄第一张照片到发生碰撞的时间是t2(0.40.2) s0.2 s则碰前物体B的速度为vB m/s1 m/s(2)碰撞前的动量：pmAvAmBvB1.5mA碰撞后的动量：pmAvAmBvB0.75mA0.75mA1.5mA，可见pp，所以两滑块碰撞前后动量守恒40.2abx10.2abx30.2ab(x1x3)04abx25(1)匀速直线A、B两滑块的第一个间隔(2)0.0180.018A、B两滑块作用前后总动量不变，均为0