2019-2020学年高中物理 第十六章 动量守恒定律 1 实验 探究碰撞中的不变量课件 新人教版选修3-5.ppt

1实验 探究碰撞中的不变量 一 实验目的该实验的目的是探究碰撞过程中的不变量 我们需要在包括物体质量和速度在内的整体关系中探究哪些量是不变的 所以实验中一方面需要控制碰撞必须是一维碰撞 另一方面还要测量物体的质量和速度 并通过计算探究不变量存在的可能性 二 实验原理 1 探究思路 一维碰撞 两个物体碰撞前沿同一直线运动 碰撞后仍沿这一直线运动 这种碰撞叫作一维碰撞 探究不变量 在一维碰撞的情况下 设两个物体的质量分别为m1 m2 碰撞前的速度分别为v1 v2 碰撞后的速度分别为v1 v2 如果速度与我们规定的正方向相同 取正值 相反取负值 碰撞前后物体质量不变 但质量并不描述物体的运动状态 不是我们追寻的 不变量 碰撞前后速度是变化的 速度的变化情况和物体的质量有关 可以做如下猜想 a 碰撞前后两个物体各自的质量与各自速度的乘积之和是否是不变量 即关系式m1v1 m2v2 m1v1 m2v2 是否成立 探究以上各关系式是否成立 关键是准确测量和计算碰撞前与碰撞后的速度v1 v2 v1 v2 碰撞有很多种情形 两个质量相同的物体相碰撞 两个质量相差很大的物体相碰撞 两个速度大小相同 方向相反的物体相碰撞 一个运动的物体与一个静止的物体相碰撞 两个物体碰撞后可能分开 也可能粘在一起不再分开 我们要寻找的不变量 应该是在各种碰撞中都不变 2 实验方案设计 方案一 用气垫导轨完成两个滑块的一维碰撞 实验装置如图所示 质量的测量 用天平测量质量 速度的测量 利用公式 式中 x为滑块 挡光片 的宽度 t为计时器显示的滑块 挡光片 经过光电门所对应的时间 利用在滑块上增加重物的方法改变碰撞物体的质量 实验方法 a 用细线将弹簧片压缩 放置于两个滑块之间 并使它们静止 然后烧断细线 弹簧片弹开后落下 两个滑块随即向相反方向运动 图甲 b 在两滑块相碰的端面上装上弹性碰撞架 图乙 可以得到能量损失很小的碰撞 c 在两个滑块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 把两个滑块连成一体运动 图丙 这样可以得到能量损失很大的碰撞 方案二 利用等长悬线悬挂等大的小球实现一维碰撞 质量的测量 用天平测量 速度的测量 可以测量小球被拉起的角度 从而算出碰撞前小球对应的速度 测量碰撞后小球摆起的角度 算出碰撞后小球对应的速度 实现不同碰撞情境的措施 用贴胶布的方法增大两球碰撞时的能量损失 方案三 利用小车在光滑长木板上碰撞另一辆静止的小车实现一维碰撞 实验装置如图所示 质量的测量 用天平测量质量 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所用的时间 可由打点间隔算出 这个方案适合探究碰撞后两物体结合为一体的情况 碰撞的实现 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 两小车连在一起运动 三 实验器材方案一 气垫导轨 光电计时器 天平 滑块两个 带挡光片 重物 弹簧片 细绳 弹性碰撞架 胶布 撞针 橡皮泥等 方案二 带细线的小球 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 橡皮泥等 四 实验步骤不论采用哪种方案 实验过程均可按实验方案合理安排 参考步骤如下 1 用天平测量相关碰撞物体的质量m1 m2 填入预先设计好的表格中 2 安装实验装置 3 使物体发生碰撞 4 测量或读出碰撞前后相关的物理量 计算对应的速度 填入预先设计好的表格中 5 改变碰撞条件 重复步骤 3 4 6 进行数据处理 通过分析比较 找出碰撞中的 不变量 7 整理器材 结束实验 注意事项 1 保证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 碰撞后仍沿同一直线运动 2 气垫导轨是一种精度较高的现代化教学仪器 切忌振动 重压 严防碰伤和划伤 绝对禁止在不通气的情况下将滑行器在轨面上滑动 3 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 4 利用摆球进行实验时 可以将实验仪器靠在一个大型的量角器上 这样可以较准确地读出小球摆动的角度 以减小误差 5 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 两条摆线应在同一竖直面内 6 碰撞有很多情形 我们寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不变 才符合要求 五 数据处理 2 结论 在实验误差允许的范围内 碰撞前 后不变的量是物体的质量m与速度v乘积的矢量和 即m1v1 m2v2 m1v1 m2v2 误差分析 一 二 一 实验原理与操作 例题1 某同学用如图所示装置通过半径相同的A B两球的碰撞来探究碰撞过程中的不变量 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球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹 重复这种操作10次 图中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 一 二 1 碰撞后B球的水平射程应取为cm 2 在以下选项中 本次实验必须进行的测量是 A 水平槽上未放B球时 A球落点位置到O点的距离B A球与B球碰撞后 A球落点位置到O点的距离C A球与B球的质量D G点相对于水平槽面的高度 一 二 解析 1 本题利用了高度相同 小球运动时间相同 在比例式中 可以用位移代替速度 即变难测物理量为易测物理量 围绕10个落点所在的范围作最小的圆 其圆心即为平均落点 xB 64 8cm 2 还应测出未放B球时 A球落点位置到O点的距离 A球和B球碰后 A球落点位置到O点的距离及A B两球的质量 答案 1 64 8 2 ABC 一 二 二 数据处理与误差分析 例题2 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50Hz 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mA 0 4kg 小车B的质量为mB 0 2kgB 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vA 1 请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来 一 二 2 打点计时器打下的纸带中 比较理想的一条如图所示 根据这些数据完成下表 3 根据以上数据猜想碰撞前后不变量的表达式为 一 二 解析 1 按照先安装 后实验 最后重复的顺序 该同学正确的实验步骤为ADCEB 2 碰撞前后均为匀速直线运动 由纸带上的点迹分布求出速度 碰后小车A B合为一体 求出AB整体的共同速度 注意打点计时器的频率为50Hz 打点时间间隔为0 02s 通过计算得下表 3 由表中数值可看出mv一行中数值相同 可猜想碰撞前后不变量的表达式为mAvA mBvB mA mB v 一 二 答案 1 ADCEB 2 见解析 3 mAvA mBvB mA mB v 1 2 3 4 5 1 利用气垫导轨做探究碰撞中的不变量的实验时 不需要测量的物理量是 A 滑块的质量B 挡光时间C 挡光片的宽度D 滑块移动的距离解析 根据实验原理可知 滑块的质量 挡光时间 挡光片的宽度都是需要测量的物理量 其中滑块的质量用天平测量 挡光时间用光电计时器测量 挡光片的宽度可事先用刻度尺测量 只有移动的距离不需要测量 故选项D正确 答案 D 1 2 3 4 5 2 多选 若用打点计时器做实验 下列哪些操作是正确的 A 相互作用的两小车上 一个装上撞针 一个装上橡皮泥 是为了改变两车的质量B 相互作用的两小车上 一个装上撞针 一个装上橡皮泥 是为了碰撞后粘在一起C 先接通打点计时器电源 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解析 一个小车装上撞针 另一个小车装上橡皮泥 目的是使两小车碰撞后粘在一起有共同速度 便于测量碰后的速度 而不是改变小车质量 选项A错误 选项B正确 打点计时器的使用原则是先接通电源后释放小车 选项C正确 选项D错误 答案 BC 1 2 3 4 5 3 多选 在利用悬绳悬挂等大小球探究碰撞中的不变量的实验中 下列说法正确的是 A 悬挂两球的细绳长度要适当 且等长B 由静止释放小球 以便较准确计算小球碰前速度C 两小球必须都是刚性球 且质量相同D 两小球碰后可以粘在一起共同运动解析 两绳等长能保证两球正碰 以减小实验误差 所以选项A正确 由于计算碰撞前速度时用到了 即初速度要求为0 选项B正确 本实验中对小球的性能无要求 选项C错误 两球正碰后 有各种运动情况 选项D正确 答案 ABD 1 2 3 4 5 4 气垫导轨工作时能够通过喷出的气体使滑块悬浮从而基本消除掉摩擦力的影响 因此成为重要的实验器材 气垫导轨和光电门 数字毫秒计配合使用能完成许多实验 现提供以下实验器材 1 2 3 4 5 利用以上实验器材可以完成 验证动量守恒定律 的实验 为完成此实验 某同学将实验原理设定为 m1v0 m1 m2 v 1 针对此原理 应选择的器材为 填写器材编号 2 在所选的器材中 填写器材编号 器材对应原理中的m1 解析 1 题给原理说明碰撞前只有一个滑块运动 碰撞后两滑块结合为一体 所以需要ABC 2 碰前运动的滑块需要测其速度 所以应选带遮光板的B作为m1 答案 1 ABC 2 B 1 2 3 4 5 5 实验数据处理考查 下图为气垫导轨上两个滑块A B相互作用后运动过程的频闪照片 频闪的频率为10Hz 开始两个滑块静止 它们之间有一根被压缩的轻弹簧 滑块用细绳连接 细绳烧断后 两个滑块向相反方向运动 已知滑块A B的质量分别为200g 300g 根据照片记录的信息 可知细绳烧断后 A滑块做运动 其速度大小为m s 本实验中得出的结论是 1 2 3 4 5 解析 由题图可知 细绳烧断后 A B均做匀速直线运动 开始时 vA 0 vB 0 规定向右方向为正方向 则A B被弹开后 vA 0 09m s vB 0 06m smAvA 0 2 0 09 kg m s 0 018kg m smBvB 0 3 0 06kg m s 0 018kg m s由此可得0 mBvB mAvA 结论是两滑块组成的系统在相互作用前后质量与速度乘积的矢量和相等 答案 匀速直线0 09两滑块组成的系统在相互作用前后质量与速度乘积的矢量和相等