2019高考物理复习实验07验证动量守恒定律学案新人教版

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2019高考物理复习实验07验证动量守恒定律学案新人教版

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文章
来源莲
山课件 w ww.5 Y K j.Co M 实验07 验证动量守恒定律
 
(对应学生用书P117)
一、实验目的
验证动量守恒定律.
二、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p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p′=m1v1′+m2v2′,看碰撞前后动量是否守恒.
三、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.
方案四:斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等.
四、实验步骤
方案一:利用气垫导轨完成一维碰撞实验(如图所示)
 
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碰撞前后的速度(①改变滑块的质量.②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.
 
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)
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(如图所示)
 
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=ΔxΔt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.
方案四:利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律(如图所示)
 
1.测质量: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.
2.安装:按照图中所示安装实验装置.调整固定斜槽使斜槽底端水平.
3.铺纸: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.放球找点:不放被撞小球,每次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.碰撞找点:把被撞小球放在斜槽末端,每次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.验证: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m1•OP=m1•OM+m2•ON,看在误差允许的范围内是否成立.
7.结束:整理好实验器材放回原处.
  某同学用如图1所示装置通过半径相同的A、B两球(mA>mB)的碰撞来验证动量守恒定律.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1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2所示,其中米尺水平放置,且平行于G、R、O所在的平面,米尺的零点与O点对齐.
 
图1
 
图2
(1)碰撞后B球的水平射程应取____________ cm.
(2)在以下选项中,本次实验必须进行测量的有____________(填选项号).
A.水平槽上未放B球时,测量A球落点位置到O点的距离
B.A球与B球碰撞后,测量A球及B球落点位置到O点的距离
C.测量A球或B球的直径
D.测量A球和B球的质量 (或两球质量之比)
E.测量水平槽面相对于O点的高度
(3)实验中,关于入射球在斜槽上释放点的高低对实验影响的说法中正确的是(  )
A.释放点越低,小球受阻力越小,入射小球速度越小,误差越小
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,轨道对被碰小球的阻力越小
解析:(1)用一尽可能小的圆把小球落点圈在里面,可知圆心的位置是65.7 cm,这也是小球落点的平均位置.
 
(2)本实验中要测量的数据有:两个小球的质量m1、m2,三个落点到O点的距离x1、x2、x3,所以应选A、B、D.
(3)入射球的释放点越高,入射球碰前速度越大,相碰时内力越大,阻力的影响相对越小,可以较好的满足动量守恒的条件,也有利于减小测量水平位移时的相对误差,从而使实验的误差减小,选项C正确.
答案:(1)65.7(65.5~65.9均可) (2)ABD (3)C
 
(对应学生用书P118)
一、数据处理
1.速度的测量
方案一:滑块速度的测量:v=ΔxΔt,式中Δx为滑块挡光片的宽度(仪器说明书上给出,也可直接测量),Δt为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间.
方案二:摆球速度的测量:v=2gh,式中h为小球释放时(或碰撞后摆起的)高度,h可用刻度尺测量(也可由量角器和摆长计算出).
方案三:小车速度的测量:v=ΔxΔt,式中Δx是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量,Δt为小车经过Δx的时间,可由打点间隔算出.
2.验证的表达式
方案一、二、三:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′.
方案四:m1•OP=m1•OM+m2•ON
二、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,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.
(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)若利用斜槽小球碰撞应注意:
①斜槽末端的切线必须水平;
②入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放;
③选质量较大的小球作为入射小球;
④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.
  (2014•全国新课标Ⅱ)现利用如图所示的装置验证动量守恒定律.在图中,气垫导轨上有A、B两个滑块,滑块A右侧带有一弹簧片,左侧与打点计时器(图中未画出)的纸带相连;滑块B左侧也带有一弹簧片,上面固定一遮光片,光电计时器(未完全画出)可以记录遮光片通过光电门的时间.
 
实验测得滑块A的质量m1=0.310 kg,滑块B的质量m2=0.108 kg,遮光片的宽度d=1.00 cm;打点计时器所用交流电的频率f=50.0 Hz.
将光电门固定在滑块B的右侧,启动打点计时器,给滑块A一向右的初速度,使它与B相碰.碰后光电计时器显示的时间为ΔtB=3.500 ms,碰撞前后打出的纸带如图所示.
 
若实验允许的相对误差绝对值(|碰撞前后总动量之差碰前总动量|×100%)最大为5%,本实验是否在误差范围内验证了动量守恒定律?写出运算过程.
解析:按定义,物体运动的瞬时速度大小为v:
v=ΔsΔt  ①
式中Δs为物块在很短时间Δt内走过的路程,设纸带上打出相邻两点的时间间隔为ΔtA,则
ΔtA=1f=0.02 s  ②
ΔtA 可视为很短,设在A碰撞前后瞬时速度大小分别为v0、v1,将②式和图给实验数据代入①式可得:
v0=4.00×10-20.02m/s=2.00 m/s  ③
v1=1.94×10-20.02m/s=0.970 m/s  ④
设B在碰撞后的速度大小为v2,由①式有
v2=dΔtB  ⑤
代入题所给的数据可得:v2=2.86 m/s  ⑥
设两滑块在碰撞前后的动量分别为p和p′,则
p=m1v0  ⑦
p′=m1v1+m2v2  ⑧
两滑块在碰撞前后总动量相对误差的绝对值为
δγ=|p-p′p|×100%  ⑨
联立③④⑥⑦⑧⑨式并代入有关数据,
可得:δγ=1.7%<5%  ⑩
因此,本实验在允许的误差范围内验证了动量守恒定律.
答案:见解析
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