高考物理大一轮复习 第十二章 动量守恒定律 波粒二象性原子结构与原子核 实验19 探究碰撞中的不变量课件

实验实验19探究碰撞中的不变量探究碰撞中的不变量(加试加试)考纲解读考纲解读(1)尝试设计实验方案，知道实验需要测量的物尝试设计实验方案，知道实验需要测量的物理量和所需器材。理量和所需器材。(2)根据不同的实验方案设计实验记录表，根据不同的实验方案设计实验记录表，收集并正确记录数据。收集并正确记录数据。(3)分析实验数据，得出实验结论。分析实验数据，得出实验结论。 在一维碰撞中，测出物体的质量在一维碰撞中，测出物体的质量m和碰撞前后物体的速度和碰撞前后物体的速度v、v，找出碰撞前的动量，找出碰撞前的动量pm1v1m2v2及碰撞后的动量及碰撞后的动量pm1v1m2v2，看碰撞前后动量是否守恒。，看碰撞前后动量是否守恒。实验原理实验原理方案一：方案一：气垫导轨、光电计时器、天平、滑块气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个两个)、重物、弹、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。方案二：方案二：带细线的摆球带细线的摆球(两套两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。胶布等。方案三：方案三：光滑长木板、打点计时器、纸带、小车光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个两个)、天平、天平、撞针、橡皮泥。撞针、橡皮泥。方案四：方案四：斜槽、小球斜槽、小球(两个两个)、天平、复写纸、白纸等。、天平、复写纸、白纸等。实验实验器材器材方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验(如图所示如图所示)实验步骤实验步骤1.测质量：测质量：用天平测出滑块质量。用天平测出滑块质量。2.安装：安装：正确安装好气垫导轨。正确安装好气垫导轨。3.实验：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况下碰撞前后的速度(改变滑块的质量。改变滑块的质量。改变滑块的初速度改变滑块的初速度大小和方向大小和方向)。4.验证：验证：一维碰撞中的动量守恒。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(如图所示如图所示) 1.测质量：测质量：用天平测出两小球的质量用天平测出两小球的质量m1、m2。2.安装：安装：把两个等大小球用等长悬线悬挂起来。把两个等大小球用等长悬线悬挂起来。3.实验：实验：一个小球静止，拉起另一个小球，放下一个小球静止，拉起另一个小球，放下后它们相碰。后它们相碰。4.测速度：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。的速度。5.改变条件：改变条件：改变碰撞条件，重复实验。改变碰撞条件，重复实验。6.验证：验证：一维碰撞中的动量守恒。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方案三：在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验(如图所示如图所示)数据处理数据处理2.验证的表达式验证的表达式方案一、二、三：方案一、二、三：m1v1m2v2m1v1m2v2。注意事项注意事项1.前提条件前提条件碰撞的两物体应保证碰撞的两物体应保证“水平水平”和和“正碰正碰”。2.方案提醒方案提醒(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。平仪确保导轨水平。(2)若利用摆球进行实验，两小球静止时球心应在同一水平线若利用摆球进行实验，两小球静止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。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。衡摩擦力。 (4)若利用斜槽小球碰撞应注意：若利用斜槽小球碰撞应注意：斜槽末端的切线必须水平；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；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；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。不变。3.探究结论探究结论寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变。寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变。 1.(多选多选)在利用打点计时器探究碰撞中的不变量的实验中，下列在利用打点计时器探究碰撞中的不变量的实验中，下列操作正确的是操作正确的是()考点一实验原理及实验操作考点一实验原理及实验操作A.相互作用的两车上，一个装上撞针，一个装上橡皮泥，是为相互作用的两车上，一个装上撞针，一个装上橡皮泥，是为了改变两车的质量了改变两车的质量B.相互作用的两车上，一个装上撞针，一个装上橡皮泥，是为相互作用的两车上，一个装上撞针，一个装上橡皮泥，是为了使两车碰撞后粘在一起了使两车碰撞后粘在一起C.先接通打点计时器的电源，再释放拖动纸带的小车先接通打点计时器的电源，再释放拖动纸带的小车D.先释放拖动纸带的小车，再接通打点计时器的电源先释放拖动纸带的小车，再接通打点计时器的电源 解析解析改变小车的质量可以加砝码改变小车的质量可以加砝码，装上撞针和橡皮泥装上撞针和橡皮泥，这样做这样做是为了使两车碰撞后粘在一起是为了使两车碰撞后粘在一起，有共同的速度有共同的速度，选项选项A错误错误，B正确；打点计时器的使用原则是先接通电源正确；打点计时器的使用原则是先接通电源，再释放纸带再释放纸带，选项选项C正确正确，D错误。错误。答案答案BC2.在做在做“验证动量守恒定律验证动量守恒定律”实验时，入射球实验时，入射球a的质量为的质量为m1，被，被碰球碰球b的质量为的质量为m2，小球的半径为，小球的半径为r，各球的落地点如图所示，各球的落地点如图所示，下列关于这个实验的说法正确的是下列关于这个实验的说法正确的是()A.入射球与被碰球最好采用大小相同、质量相等的小球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次相碰，每次都要使入射小球从斜槽上不同的位置滚下槽上不同的位置滚下C.要验证的表达式是要验证的表达式是m1ONm1OMm2OPD.要验证的表达式是要验证的表达式是m1OPm1OMm2ON 解析解析在此装置中在此装置中，应使入射球的质量大于被碰球的质量应使入射球的质量大于被碰球的质量，防止防止入射球反弹或静止入射球反弹或静止，故故A错误；入射球每次必须从斜槽的同一位错误；入射球每次必须从斜槽的同一位置由静止滚下置由静止滚下，保证每次碰撞都具有相同的初动量保证每次碰撞都具有相同的初动量，故故B错误；错误；两球做平抛运动时都具有相同的起点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：故应验证的关系式为：m1OPm1OMm2ON，D正确正确，C错误。错误。答案答案D3.(2017湖州模拟湖州模拟)某同学用如图所示装置验证动量守恒定律，用某同学用如图所示装置验证动量守恒定律，用轻质细线将小球轻质细线将小球1悬挂于悬挂于O点，使小球点，使小球1的球心到悬点的球心到悬点O的距离的距离为为L，被碰小球，被碰小球2放在光滑的水平台面上。将小球放在光滑的水平台面上。将小球1从右方的从右方的A点点(OA与竖直方向的夹角为与竖直方向的夹角为)由静止释放，摆到最低点时恰与小由静止释放，摆到最低点时恰与小球球2发生正碰，碰撞后，小球发生正碰，碰撞后，小球1继续向左运动到继续向左运动到C位置，小球位置，小球2落落到水平地面上到台面边缘水平距离为到水平地面上到台面边缘水平距离为s的的D点。点。(1)实验中已经测得上述物理量中的实验中已经测得上述物理量中的、L、s，为了验证两球碰，为了验证两球碰撞 过 程 动 量 守 恒 ， 还 应 该 测 量 的 物 理 量 有撞 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、小球小球2的动量的动量p1_；p1_；p2_；p2_。 解析解析根据机械能守恒定律计算碰前和碰后小球根据机械能守恒定律计算碰前和碰后小球1的速度的速度，根据根据平抛运动规律计算碰后小球平抛运动规律计算碰后小球2的速度的速度，最后根据最后根据pmv计算各个计算各个动量值。动量值。4.用如图所示的装置也可以完成用如图所示的装置也可以完成“探究碰撞中的不变量探究碰撞中的不变量”实验。实验。(1)若实验中选取的若实验中选取的A、B两球半径相同，为了使两球半径相同，为了使A、B发生一维发生一维碰撞，应使两球悬线长度碰撞，应使两球悬线长度_，悬点，悬点O1、O2之间的距离之间的距离等于等于_。(2)若若A、B两球的半径不相同，利用本装置能否完成实验？如两球的半径不相同，利用本装置能否完成实验？如果你认为能完成，请说明如何调节？果你认为能完成，请说明如何调节？ 解析解析(1)为了保证一维碰撞为了保证一维碰撞，碰撞点应与两球同在一条水平线上碰撞点应与两球同在一条水平线上，故两球悬线长度相等故两球悬线长度相等，O1、O2之间距离等于球的直径。之间距离等于球的直径。(2)如果两球的半径不相等如果两球的半径不相等，也可完成实验。调整装置时也可完成实验。调整装置时，应使应使O1、O2之间距离等于两球的半径之和之间距离等于两球的半径之和，两球静止时两球静止时，球心在同一水平球心在同一水平高度上。高度上。答案答案(1)相等球的直径相等球的直径(2)见解析见解析1.(多选多选)在利用气垫导轨探究碰撞中的不变量实验中，可导致实在利用气垫导轨探究碰撞中的不变量实验中，可导致实验误差的因素是验误差的因素是()考点二数据处理及误差分析考点二数据处理及误差分析A.导轨安放不水平导轨安放不水平 B.B.小车上挡光板倾斜小车上挡光板倾斜C.两小车质量不相等两小车质量不相等 D.D.两小车碰后连在一起两小车碰后连在一起解析解析选项选项A中中，导轨不水平导轨不水平，小车速度将受重力分力的影响小车速度将受重力分力的影响，从而导致实验误差；选项从而导致实验误差；选项B中中，挡光板倾斜会导致挡光板宽度挡光板倾斜会导致挡光板宽度不等于挡光阶段小车通过的位移不等于挡光阶段小车通过的位移，使计算速度出现误差使计算速度出现误差，而而C、D中对探究不会造成误差。中对探究不会造成误差。答案答案AB 2.某同学设计了一个用电磁打点计时器验证动量守恒定律的实验：某同学设计了一个用电磁打点计时器验证动量守恒定律的实验：在小车在小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速直线运动，使之做匀速直线运动，然后与原来静止在前方的小车然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续做匀相碰并粘合成一体，继续做匀速直线运动。他设计的装置如图甲所示。在小车速直线运动。他设计的装置如图甲所示。在小车A后连着纸带，后连着纸带，电磁打点计时器所用电源频率为电磁打点计时器所用电源频率为50 Hz，长木板下垫着薄木片，长木板下垫着薄木片以平衡摩擦力。以平衡摩擦力。(1)若已测得打点纸带如图乙所示，并测得各计数点间距若已测得打点纸带如图乙所示，并测得各计数点间距(标在图标在图上上)，则应选，则应选_段来计算段来计算A碰前的速度。应选碰前的速度。应选_段来段来计算计算A和和B碰后的共同速度碰后的共同速度(选填选填“AB”或或“BC”或或“CD”或或“DE”)。(2)已测得小车已测得小车A的质量的质量mA0.4 kg，小车，小车B的质量为的质量为mB0.2 kg。由以上测量结果可得：碰前由以上测量结果可得：碰前mAvA_kgm/s；碰后；碰后(mAmB)v共共_kgm/s。由此得出的结论是。由此得出的结论是_。(本题计算结果均保留三位有效数字本题计算结果均保留三位有效数字)答案答案(1)BCDE(2)0.4200.417结论见解析结论见解析 3.(2017金华模拟金华模拟)在一次实验中，某同学选用了两个外形相同的在一次实验中，某同学选用了两个外形相同的硬质小球硬质小球A和和B，小球，小球A质量较大，小球质量较大，小球B质量较小。该同学实质量较小。该同学实验发现：若在水平面上用验发现：若在水平面上用A球去撞击原来静止的球去撞击原来静止的B球，碰后球，碰后A和和B都向前运动；若用都向前运动；若用B球去撞击原来静止的球去撞击原来静止的A球，碰后球，碰后A球向前球向前运动，运动，B球向后运动。为了探究碰撞中的不变量，该同学计划球向后运动。为了探究碰撞中的不变量，该同学计划用如图所示的圆弧槽进行实验。实验时，分别将小球用如图所示的圆弧槽进行实验。实验时，分别将小球M、N放放在竖直平面内的半圆形玻璃轨道内侧在竖直平面内的半圆形玻璃轨道内侧(轨道半径远大于小球半轨道半径远大于小球半径径)。现让小球。现让小球M从与圆心从与圆心O等高处由静止释放，在底部与静止等高处由静止释放，在底部与静止的小球的小球N发生正碰。发生正碰。(1)实验中，若实验室里有如下所述的四个小球：实验中，若实验室里有如下所述的四个小球：半径为半径为r的玻璃球；的玻璃球；半径为半径为2r的玻璃球；的玻璃球；半径为半径为1.5r的钢球；的钢球；半径为半径为2r的钢球。的钢球。为了便于测量，该同学为了便于测量，该同学M球应选用球应选用_，N球应选用球应选用_。(填编号填编号)(2)实验中不用测量的物理量为实验中不用测量的物理量为_。小球小球M的质量的质量m1和小球和小球N的质量的质量m2；圆弧轨道的半径圆弧轨道的半径R；小球小球M碰后上升的最高处与碰后上升的最高处与O点连线偏离竖直方向的夹角点连线偏离竖直方向的夹角1；小球小球N碰后上升的最高处与碰后上升的最高处与O点连线偏离竖直方向的夹角点连线偏离竖直方向的夹角2。(3)用上述测得的物理量表示碰撞中的不变量的等式为：用上述测得的物理量表示碰撞中的不变量的等式为：_。4.某同学用图甲所示装置通过半径相同的某同学用图甲所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来验证两球的碰撞来验证mv的矢量和在碰撞中是守恒的。图中的矢量和在碰撞中是守恒的。图中PQ是斜槽，是斜槽，QR为水平槽。为水平槽。实验时先使实验时先使A球从斜槽上某一固定位置球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下，落由静止开始滚下，落到位于水平地面的记录纸上，留下痕迹，重复上述操作到位于水平地面的记录纸上，留下痕迹，重复上述操作10次，次，得到得到10个落点痕迹。再把个落点痕迹。再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，球放在水平槽上靠近槽末端的地方，让让A球仍从位置球仍从位置G由静止开始滚下，和由静止开始滚下，和B球碰撞后，球碰撞后，A、B球分球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹。重复这种操作别在记录纸上留下各自的落点痕迹。重复这种操作10次。图甲次。图甲中中O点是水平槽末端点是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点，在记录纸上的垂直投影点，B球落点痕迹球落点痕迹如图乙所示，其中米尺水平放置，且放置方向平行于如图乙所示，其中米尺水平放置，且放置方向平行于G、R、O所在的平面，米尺的零点与所在的平面，米尺的零点与O点对齐。点对齐。(1)碰撞后碰撞后B球的水平射程应取为球的水平射程应取为_cm；(2)在以下选项中，哪些是本次实验必须进行的测量在以下选项中，哪些是本次实验必须进行的测量_(填填选项号选项号)。A.水平槽上未放水平槽上未放B球时，测量球时，测量A球落点位置到球落点位置到O点的距离点的距离B.A球与球与B球碰撞后，测量球碰撞后，测量A、B球落点位置到球落点位置到O点的距离点的距离C.测量测量A球和球和B球的质量球的质量(或两球质量之比或两球质量之比)D.测量测量G点相对水平槽面的高度点相对水平槽面的高度(3)实验中，关于入射小球在斜槽上释放点的高低对实验影响的实验中，关于入射小球在斜槽上释放点的高低对实验影响的说法中正确的是说法中正确的是()A.释放点越低，小球所受阻力越小，入射小球速度越小，误差释放点越低，小球所受阻力越小，入射小球速度越小，误差越小越小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碰小球的阻力越小解析解析(1)用圆规画最小的圆把用圆规画最小的圆把10个落点圈在里面个落点圈在里面，圆心位置就是圆心位置就是小球落点平均位置。小球落点平均位置。(2)A、B选项测量了两球平抛运动的水平射程选项测量了两球平抛运动的水平射程，有了水平射程才有了水平射程才能表示两球在碰撞前后的速率能表示两球在碰撞前后的速率，而质量是必须测量的而质量是必须测量的，所以必须所以必须测量的是测量的是A、B、C。(3)入射小球的释放点越高入射小球的释放点越高，入射小球碰前速度越大入射小球碰前速度越大，相碰时内力相碰时内力越大越大，阻力影响越小阻力影响越小，可以较好地满足动量守恒的条件可以较好地满足动量守恒的条件，有利于有利于减小误差减小误差，故故C正确。正确。答案答案(1)64.7(64.265.2)(2)ABC(3)C