2020-2021学年物理第一册教案1.4 实验验证动量守恒定律 2

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1、实验：验证动量守恒定律【教学目标】1掌握动量守恒定律适用范围。2会用实验验证动量守恒定律。【教学重难点】会用实验验证动量守恒定律。【教学过程】一、实验思路教师：两个物体在发生碰撞时，作用时间很短。根据动量定理，它们的相互 作用力很大。如果把这两个物体看作一个系统，那么，虽然物体还受到重力、支 持力、摩擦力、空气阻力等外力的作用，但是有些力的矢量和为0，有些力与系统 内两物体的相互作用力相比很小。因此，在可以忽略这些外力的情况下，碰撞满 足动量守恒定律的条件。问题：我们应该怎样设计实验，使两个碰撞的物体所组成的系统所受外力的 矢量和近似为 0？学生思考，教师总结。我们研究最简单的情况：两个物体碰

2、撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这条 直线运动。应该尽量创造实验条件，使系统所受外力的矢量和近似为 0。 二、物理量的测量研究对象确定后，还需要明确所需测量的物理量和实验器材。问题：想要验证动量守恒定律，需要测量哪些物理量？学生思考，教师总结：根据动量的定义，很自然地想到，需要测量物体的质量，以及两个物体发生 碰撞前后各自的速度。教师：那么物体的质量我们可以直接用天平测量，物体碰撞前后的速度呢？ 学生回忆之前我们学习了哪些测量物体速度的方法。最后教师总结可行的方法进行实验的设计。（一）方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒本案例中，我们利用气垫导轨来减小摩擦力，利用光电计时器测量滑块碰撞 前

3、后的速度。实验装置如图所示，可以通过在滑块上添加已知质量的物块来改变 碰撞物体的质量。本实验可以研究以下几种情况：选取两个质量不同的滑块，在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架， 滑块碰撞后随即分开。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， 使两个滑块连成一体运动。如果在两个滑块的碰撞端分别贴上尼龙拉扣，碰撞时 它们也会连成一体。原来连在一起的两个物体，由于相互之间具有排斥的力而分开，这也可视 为一种碰撞。这种情况可以通过下面的方式实现。在两个滑块间放置轻质弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，并用一根细线将两 个滑块固定。烧断细线，弹簧弹开后落下，两个滑块由静止向相反方向运动

4、。1实验步骤：1 1 2 2 1 1 2 2（1）测质量：用天平测出滑块的质量。（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（改变滑块的质量；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。2数据处理（1）滑块速度的测量：v x/t，式中 x 为滑块挡光片的宽度（仪器说明书 上给出，也可直接测量），t 为数字计时器显示的滑块（挡光片）经过光电门的时 间。（2）验证的表达式：m v m v m v m v （二）方案二：利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律1实验步骤：（1）测质量：用天平测出两小球的质量，并选定质

5、量大的小球为入射小球。 （2）安装：按照图甲所示安装实验装置，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 F 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 球落点的平均位置和被撞小球落点的平均位置 N，如图所示。1 1 1 2 1 1 2 2 1 1 2 2（6

6、）验证：连接 N，测量线段 OP、OM、ON 的长度。将测量数据填入表中。 最后代入 m OP。（7）结束：整理好实验器材放回原处。2数据处理：验证的表达式：m OP=m OM+m ON（三）方案三：在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验1实验器材光滑长木板、打点计时器、纸带、小车（两个）、天平、撞针、橡皮泥。2实验步骤（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，小车五静止，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

7、度：通过纸带上两计数点间的距离及时间由 （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。3数据处理算出速度。（1）小车速度的测量：，式中是纸带上两计数点间的距离，可用刻度尺测量， 为小车经过的时间，可由打点间隔算出。（2）验证的表达式：m v m v m v m v 4注意事项（1）前提条件：碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。（2）若利用“气垫导轨”完成实验，调整气垫导轨时，注意利用水平仪确保 导轨水平。若用“斜槽”完成实验，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。5误差分析（1）系统误差：主要来源于装置本身是否符合要求，即：碰撞是否

8、为一维碰撞。实验是否满足动量守恒的条件：如气垫导轨是否水平，两球是否等大。 （2）偶然误差：主要来源于质量 m 和速度 v 的测量。（3）改进措施：设计方案时应保证碰撞为一维碰撞，且尽量满足动量守恒的条件。 采取多次测量求平均值的方法减小偶然误差。【课堂练习】1（2017 江西模拟）利用频闪照相和气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的 实验，步骤如下：用天平测出滑块 A、B 的质量分别为 200g 和 300g；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 A、B 两滑块放到导轨上，并给它们一个初速度，同时开始闪光照相，闪 光的时间间隔设定为 t0.2s，照片如图

9、所示。结合实验过程和图象分析知：该图象是闪光 4 次摄得的照片，在这 4 次闪光 的瞬间，A、B 两滑块均在 080cm 刻度范围内；第一次闪光时，滑块 A 恰好通过 x55cm 处，滑块 B 恰好通过 x70cm 处；碰撞后有一个滑块处于静止状态。设 向右为正方向，试分析：滑块碰撞时间发生在第一次闪光后 _s，碰撞前两滑块 的质量与速度乘积之和为 _kgm/s ，碰撞后两滑块的质量与速度乘积之和为 _kgm/s。答案：0.1；0.2；0.22（2017 湖北黄冈中学期中）某同学用图甲所示装置通过半径相同的 a 、 b1 2 3a ba b a ba 1 a 2 b 31 2 1 2两球的碰撞

10、来验证动量守恒定律。图中 PQ 是斜槽，QR 为水平槽。在记录纸上记 下重垂线所指的位置 O。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，确定小球 a 的落点平均位置 B。再把 b 球放在水平槽末端 R，让 a 球仍 从固定位置 G 由静止开始滚下，与 b 球碰撞后，落到水平地面的记录纸上，重复 10 次，得到两球的落点平均位置分别为 A 和 C，其中 b 球落点痕迹如图乙所示。 米尺水平放置，零点与 O 点对齐。（1）碰撞后 b 球的水平射程应取为_cm。（2）在以下选项中，哪些是本次实

11、验必须进行的测量？答：_（填选项序号）。A水平槽上未放 b 球时，测量 a 球落点位置到 O 点的距离 xBa 球与 b 球碰撞后，分别测量 a 球和 b 球的落点位置到 O 点的距离 x 、x C测量 a 球或 b 球的直径 dD测量 a 球和 b 球的质量 m 、m （或两球质量之比）E测量 G 点相对于水平槽面的高度 H（3）按照本实验方法，已知 a 球的质量为 m ，b 球的质量为 m ，m m ，那 么动量守恒定律的验证式为_（用实验中所测物理量相应字母表示）。答案：（1）64.5（64.264.8 均可）；（2）ABD；（3）m x m x m x 3（2017 湖南师大附中模拟）

12、如图所示是用来验证动量守恒定律的实验装置，弹性球 1 用细线悬挂于 O 点，O 点正下方桌子的边缘有一竖直立柱。实验时，调 节悬点，使弹性球 1 静止时恰与立柱上的球 2 接触且两球等高。将球 1 拉至 A 点， 并使之静止，同时把球 2 放在立柱上。释放球 1，当它摆到悬点正下方时与球 2 发 生对心碰撞。碰后球 1 向左最远可摆至 B 点，与球 2 落到水平地面上的 C 点。测 出有关数据即可验证 1、2 两球碰撞时动量守恒。现已测出弹性球 1 和 2 的质量 m 、m （m m ），A 点离水平桌面的距离为 a，B 点离水平桌面的距离为 b。此外：1 1 2 1 2 1 21 2（ 1

13、） 还 需 要 测 量 的 量 是 _ 、 _ 和 _。（ 2 ） 根 据 测 量 的 数 据 ， 该 实 验 中 动 量 守 恒 定 律 的 表 达 式 为 _。答案：（1）C 点与桌子边缘间的水平距离 c、立柱高 h、桌面高 H；（2）2m ah2mbhmcHh4（2017 山东泰安一模）如图所示，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。（1）实验必须满足的条件是_（填选项的符号）。A斜槽轨道必须是光滑的B斜槽轨道末端的切线是水平的C入射小球每次都要从同一高度由静止滚下D若入射小球的质量为 m ，被碰小球的质量为 m ，则 m m（2）图中

14、O 点是小球抛出点在地面上的垂直投影。实验时，先让小球 1 多次 从斜轨上 S 位置由静止释放，找到其平均落地点的位置 P，测量平抛射程 OP ，然后，把小球 2 静置于轨道的末端，再将小球 1 从斜轨上 S 位置由静止释放，与小 球 2 发生碰撞，并多次重复。接下来要完成的必要步骤是_（填选项的符 号）。A用天平测量两个小球的质量 m 、m1 2 1 1 2B测量小球 1 开始释放的高度 hC测量抛出点距地面的高度 HD分别找到小球 1、小球 2 相碰后平均落点的位置 M、NE测量平抛射程 OM 、 ON（3）若两球碰撞前后的动量守恒，则满足的表达式为_ （用（2）中测量的量表示）。（4）若 m 45.0g、m 9.0g， OP 46.20cm。则 ON 可能的最大值为_cm （小数点后保留两位）。答案：（1）BCD（2）ADE（3）m OP m OM m ON （4）77.00