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,第十六章,1,实验：探究碰撞中的不变量,第十六章1实验：探究碰撞中的不变量,知识内容,考试要求,必考,加试,实验：探究碰撞中的不变量,课时要求,1.,猜想两个物体碰撞前后哪些物理量保持不变,.,2.,讨论实验的基本思路,.,3.,尝试设计实验方案，知道实验需要测量的物理量和所需器材，设计实验记录表，收集并正确记录数据,.,4.,分析实验数据，得出实验结论,.,知识内容考试要求必考加试实验：探究碰撞中的不变量课时要,内容索引,知识探究,题型探究,达标检测,内容索引,知识探究,知识探究,一、实验原理,1.,一维碰撞,两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞,后,运动,.,这种碰撞叫做一维碰撞,.,2.,实验的基本思路：寻求不变量,在一维碰撞的情况下，设两个物体的质量分别为,m,1,、,m,2,，碰撞前的速度分别为,v,1,、,v,2,，碰撞后的速度分别为,v,1,、,v,2,，如果速度的方向与我们设定的坐标轴的正方向一致，取正值，反之则取负值,.,探究以下关系式是否成立：,(1),m,1,v,1,m,2,v,2,；,(,2),m,1,v,1,2,m,2,v,1,2,m,1,v,1,2,m,2,v,2,2,；,(3,),仍沿这条,直线,m,1,v,1,m,2,v,2,一、实验原理1.一维碰撞仍沿这条直线m1v1m2v2,二、实验方案设计,方案,1,：用气垫导轨结合光电门的实验探究,(1),质量的测量：用天平测量,.,(2),速度的测量：,v,，,式中,的,为,滑块上挡光板的宽度,，,为,数字计时显示器显示的滑块上的挡光板经过光电门的时间,.,(3),碰撞情景的,实现,x,图,1,t,二、实验方案设计方案1：用气垫导轨结合光电门的实验探究x图,如图,1,所示，利用弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥设计各种类型的碰撞，,利用,的,方法改变碰撞物体的质量,.,(4),器材：气垫导轨、光电计时器、滑块,(,带挡光板、两个,),、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥、天平,.,在滑块上加重物,图,1,如图1所示，利用弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥,方案,2,：利用摆球结合机械能守恒定律的实验,探究,(1),所需测量量：悬点至球心的距离,l,，摆球被拉起,(,碰后,),的角度,，摆球质量,m,.,_,(3),碰撞情景的实现：如图,2,所示，,用,的,方法,增大两球碰撞时的能量损失,.,(4),器材：带细线的摆球,(,两套,),、铁架台、量,角,器,、坐标纸、胶布、天平,.,贴胶布,图,2,方案2：利用摆球结合机械能守恒定律的实验探究贴胶布图2,方案,3,：利用,“,光滑,”,水平面结合打点计时器的实验探究,(1),所需测量量：纸带上两计数点间的距离,x,，小车经过,x,所用的时间,t,，小车质量,m,.,_,(3),碰撞情景的实现：如图,3,所示，,A,运动，,B,静止，,在,两,小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥，碰撞时,撞针,插入,橡皮泥中，把两个小车连接成一体,.,(4),器材：长木板、打点计时器、纸带、小车,(,两个,),、撞针、橡皮泥、天平,.,图,3,方案3：利用“光滑”水平面结合打点计时器的实验探究图3,三、实验步骤,不论哪种方案，实验过程均可按实验方案合理安排，参考步骤如下：,(1),用天平测出相关质量,.,(2),安装实验装置,.,(3),使物体发生一维碰撞，测量或读出相关物理量，计算相关速度，填入预先设计好的表格,.,(4),改变碰撞条件，重复实验,.,(5),通过对数据的分析处理，找出碰撞中的不变量,.,(6),整理器材，结束实验,.,三、实验步骤不论哪种方案，实验过程均可按实验方案合理安排，参,四、数据处理,将实验中测得的物理量填入下表，物体碰撞后运动的速度与原来的方向相反时需要注意正负号,.,碰撞前,碰撞后,质量,m,1,m,2,m,1,m,2,速度,v,1,v,2,v,1,v,2,四、数据处理将实验中测得的物理量填入下表，物体碰撞后运动的速,m,v,m,1,v,1,m,2,v,2,m,1,v,1,m,2,v,2,m,v,2,m,1,v,1,2,m,2,v,2,2,m,1,v,1,2,m,2,v,2,2,其他猜想,通过研究以上实验数据，找到碰撞前后的,“,不变量,”.,mvm1v1m2v2m1v1m2v2mv2m1v,五、注意事项,1.,前提条件：应保证碰撞的两物体发生的是一维碰撞，即两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍,沿,.,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,.,(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，将一个小球拉起后，两条摆线应在同,一,.,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，才符合要求,.,同一直线运动,水平,竖直平面内,五、注意事项1.前提条件：应保证碰撞的两物体发生的是一维碰撞,题型探究,题型探究,一、利用气垫导轨结合光电门的实验探究,2.,实验误差存在的主要原因是摩擦力的存在,.,利用气垫导轨进行实验，调节气垫导轨时注意利用水平仪，确保导轨水平,.,一、利用气垫导轨结合光电门的实验探究2.实验误差存在的主要原,例,1,某同学利用气垫导轨做,“,探究碰撞中的不变量,”,的实验,.,气垫导轨装置如图,4,所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成,.,(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；,接通光电计时器；,把滑块,2,静止放在气垫导轨的中间；,滑块,1,挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳,；,图,4,例1 某同学利用气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的实验.气,释放滑块,1,，滑块,1,通过光电门,1,后与左侧固定弹簧的滑块,2,碰撞，碰后滑块,1,和滑块,2,依次通过光电门,2,，两滑块通过光电门,2,后依次被制动；,读出滑块通过两个光电门的挡光时间分别为：滑块,1,通过光电门,1,的挡光时间,t,1,10.01 ms,，通过光电门,2,的挡光时间,t,2,49.99 ms,，滑块,2,通过光电门,2,的挡光时间,t,3,8.35 ms,；,测出挡光片的宽度,d,5 mm,，,测,得,滑块,1,的质量为,m,1,300 g,，滑块,2,(,包括弹簧,),的质量为,m,2,200 g.,释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧固定弹簧的滑块2碰撞,(2),数据处理与实验结论：,实验中气垫导轨的作用是：,A,._,；,B,._.,碰撞前滑块,1,的速度,v,1,为,_,m,/s,；碰撞后滑块,1,的速度,v,2,为,m/,s,；滑块,2,的速度,v,3,为,_,m/s.(,结果均保留两位有效数字,),答案,见,解析,解析,答案,(2)数据处理与实验结论：答案 见解析解析答案,解析,A.,大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差,.,B.,保证两个滑块的碰撞是一维的,.,解析A.大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差.,答案,见,解析,在误差允许的范围内，通过本实验，同学们可以探究出哪些物理量是不变的？通过对实验数据的分析说明理由,.(,至少回答,2,个不变量,),a,._,_,_,；,b,._,_,_.,解析,答案,答案 见解析在误差允许的范围内，通过本实验，同学们可以探,解析,a.,系统质量与速度的乘积之和不变,.,原因：系统碰撞之前,m,1,v,1,0.15 kgm,/s,，系统碰撞之后,m,1,v,2,m,2,v,3,0.15,kgm/,s,.,b.,系统碰撞前后总动能不变,.,所以系统碰撞前后总动能相等,.,c,.,系统碰撞前后质量不变,.,解析 a.系统质量与速度的乘积之和不变.所以系统碰撞前后总,二、利用摆球结合机械能守恒定律的实验探究,1.,碰撞前后摆球速度的大小可从摆线的摆角反映出来，所以方便准确地测出碰撞前后绳的摆角大小是实验的关键,.,2.,根据机械能守恒定律计算碰撞前后摆球的速度,.,二、利用摆球结合机械能守恒定律的实验探究1.碰撞前后摆球速度,例,2,(2016,宁波效实中学高二第二学期期中,),如图,5,所示的装置中，质量为,m,A,的钢球,A,用细线悬挂于,O,点，质量为,m,B,的钢球,B,放在离地面高度为,H,的小支柱,N,上,.,O,点到,A,球球心的距离为,L,.,使悬线在,A,球释放前伸直，且线与竖直方向的夹角为,，释放,A,球，当,A,球摆动到最低点时恰与,B,球碰撞，碰撞后，,A,球把轻质指示针,OC,推移到与竖直方,向夹角为,处，,B,球落到地面上，,地面上铺一张,盖有复写纸的白纸,D,.,保持,角度不变，,多次重复,上述实验,，白纸上记录到多个,B,球的落点,.,图,5,例2(2016宁波效实中学高二第二学期期中)如图5所示,(1),图中,x,应是,B,球初始位置到,_,_,_,的水平距离,.,(2),为了探究碰撞中的守恒量，应测得,_,_,等,物理量,.,(3),用测得的物理量表示,(,v,A,为,A,球与,B,球刚要相碰前,A,球的速度，,v,A,为,A,球与,B,球刚相碰后,A,球的速度，,v,B,为,A,球与,B,球,刚相碰后,B,球的速度,),：,m,A,v,A,_,；,m,A,v,A,_,；,m,B,v,B,_.,B,球平均落点,m,A,、,m,B,、,、,、,L,、,H,、,x,解析,答案,(1)图中x应是B球初始位置到_的水,解析,小球,A,在碰撞前、后的摆动过程中，满足机械能守恒定律,.,小球,B,在碰撞后做平抛运动，则,x,应为,B,球的平均落点到初始位置的水平距离,.,要得到碰撞前后的,m,v,，需要测量,m,A,、,m,B,、,、,、,L,、,H,、,x,等物理量，碰撞前对小球,A,，由机械能守恒定律得,解析小球A在碰撞前、后的摆动过程中，满足机械能守恒定律.小,三、利用,“,光滑,”,水平面结合打点计时器的实验探究,1.,这种碰撞的特征是：碰撞前一个物体有速度，另一物体静止，碰撞后二者速度相同,.,2.,碰撞前和碰撞后的速度是反映在同一条纸带上的,.,3.,保证平面光滑和水平是实验成功的重要条件,.,“,光滑,”,水平面可通过将长木板一端垫高以平衡摩擦力得到,.,三、利用“光滑”水平面结合打点计时器的实验探究1.这种碰撞的,例,3,某同学运用以下实验器材，设计了一个碰撞实验来寻找碰撞前后的不变量：打点计时器、低压交流电源,(,频率为,50 Hz),、纸带、表面光滑的长木板、带撞针的小车,A,、带橡皮泥的小车,B,、天平,.,该同学设计的实验步骤如下,：,A.,用天平测出小车,A,的质量为,m,A,0.4 kg,，小车,B,的质量为,m,B,0.2 kg,B.,更换纸带重复操作三次,C.,小车,A,靠近打点计时器放置，在车后固定纸带，把小车,B,放在长木板中间,D.,把长木板平放在桌面上，在一端固定打点计时器，连接电源,E.,接通电源，并给小车,A,一定的初速度,v,A,(1),请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来,_.,ADCEB,解析,答案,例3 某同学运用以下实验器材，设计了一个碰撞实验来寻找碰撞,解析,按照,先安装，后实验，最后重复实验的顺序，该同学正确的实验步骤为,ADCEB.,解析按照先安装，后实验，最后重复实验的顺序，该同学正确的实,(,2),打点计时器打下的纸带中，比较理想的一条如图,6,所示，根据这些数据,完成,右,表,.,碰撞前,碰撞后,A,车,B,车,AB,整体,质量,(kg),速度,(m/s),(,ms,1,kg,1,),m,v,(kgm/s),m,v,2,(kgm,2,/s,2,),图,6,答案,见解析,解析,答案,(2)打点计时器打下的纸带中，比较理想的一条如图6所示，根据,解析,碰撞,前后小车均做匀速直线运动，由纸带上的点迹分布可求出其速度,.,碰撞前小车,A,做匀速直线运动，,B,静止,.,碰撞后小车,A,、,B,合为一体，结合纸带分析，碰撞前对应纸带的,
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