高中人教版 (2019)第一章 动量守恒定律4 实验：验证动量守恒定律获奖教学设计及反思

第一章　动量守恒定律

第4节　实验：验证动量守恒定律

【教材分析】

本节课程的内容主要是通过理论指导实验，让学生在实验中了解弹性碰撞和非弹性碰撞的特点。了解不同实验方案的基本思路、实验装置及注意事项，最重要的是要能够对所测量的实验数据进行科学分析，最终实现减小实验误差，并能够验证动量守恒的目的。

【教学目标与核心素养】

【物理观念】通过两种实验方案验证动量守恒。

【科学思维】按照实验思路设计不同试验方案，科学的在不同实验方案中对各物理量进行测量，对实验数据进行分析，最大程度的减小实验误差，达到验证动量守恒的目的；对于发展学生的运动与相互作用的观念和科学思维至关重要。

【科学探究】准确理解实验思路，从更好的执行两种实验方案，达到对实验进行探究或验证的目的，在实验中要注重各物理量之间的相互关系，加深对物体相互作用过程中系统动量守恒的理解。

【科学态度与责任】在物理实验中要有严谨的实验思路，学会从多个方面思考问题，用实验来验证物理规律，在物理实验中养成良好的团队合作精神。

【教学重点与难点】

【教学重点】用两种试验方案验证动量守恒的实验思路与注意事项。

【教学难点】两种实验方案中各物理量的测量及实验数据分析。

【教学过程】

一、【引入新课】

动量守恒定律的适用条件是系统不受外力，或者所受外力的矢量和为0。我们生活中的物体受到各种力的作用，难以满足这种理想化的条件。但是，在某些情况下，可以近似满足动量守恒的条件。

二、【进行新课】

探究点一、研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒实验思路

动量守恒定律的适用条件是系统不受外力，或者所受外力的矢量和为0。我们生活中的物体受到各种力的作用，难以满足这种理想化的条件。但是，在某些情况下，可以近似满足动量守恒的条件。

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。

实验器材

气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。

实验步骤：

1.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（图1），滑块碰撞后随即分开。

2.在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥（图2），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。

图1 滑块碰撞后分开                           图2 滑块碰撞后粘连

3.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（图3）。

图3 弹簧使静止滑块分开

物理量的测量

(1)滑块的质量用天平直接测量。

(2)速度的测量：v＝，式中的Δx为滑块上挡光板的宽度，Δt为光电计时器记录的滑块上的挡光板经过光电门的时间。

碰撞情境的实现

利用轻质弹簧、细线、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等设计各种类型的碰撞，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。

(1)情境1：质量不同的两滑块，一静一动碰撞；

(2)情境2：两滑块追碰、相向碰，碰撞后分开；

(3)情境3：两滑块挤压弹簧后用细线连接，烧断细线后两滑块分开；

(4)情境4：两滑块碰撞后，撞针插入橡皮泥中，使滑块连成一体。

数据记录与处理

(1)规定正方向，碰撞前后速度的方向与正方向相同为正，相反为负。

(2)通过计算碰撞前后的总动量，检验是否满足动量守恒定律。

探究点二、研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒

本案例中，我们研究两个小球在斜槽末端发生碰撞的情况。

实验器材：斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等。

测质量：用天平测出两个小球的质量，并选质量大的小球为入射小球。

实验装置：将斜槽安装在水平桌面上，并调整斜槽使其末端水平，在地面上铺上白纸，上面再铺好复写纸，记下重垂线所指的位置O。

实验操作：如图所示，将斜槽固定在铁架台上，使槽的末端水平。让一个质量较大的小球（入射小球）从斜槽上滚下跟放在斜槽末端的另一个大小相同、质量较小的小（被碰小球）发生正碰。

使入射小球从斜槽不同高度处滚下，测出两球的质量以及它们每次碰撞前后的速度，就可以验证动量守恒定律。

实验装置：

小球的质量可以用天平来测量。怎样测量两球碰撞前后瞬间的速度呢？两个小球碰撞前后瞬间的速度方向都是水平的，因此，两球碰撞前后的速度，可以利用平抛运动的知识求出。

在这个实验中也可以不测量速度的具体数值。做平抛运动的小球落到地面，它们的下落高度相同，飞行时间也就相同。因此，小球碰撞后的速度之比就等于它们落地时飞行的水平距离之比。根据这一思路，也可以验证动量守恒定律。

实验操作：

注意事项：

(1)“水平”和“正碰”是操作中应尽量予以满足的前提条件。

(2)斜槽末端必须水平。

(3)入射球的质量应大于被碰球的质量。

(4)入射球每次都必须从斜槽上同一位置由静止开始滚下。

随堂练习

例1：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)实验中，直接测量小球碰撞前后的速度是不容易的，但是，可以通过仅测量______(填选项前的符号)，间接地解决这个问题。

A．小球开始释放高度h

B．小球抛出点距地面的高度H

C．小球做平抛运动的射程

(2)图中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影，实验时先让入射球m1多次从斜轨上Q位置静止释放，找到其平均落地点的位置P，测量平抛射程OP，然后，把被碰小球m2静置于轨道的水平部分，再将入射球m1从斜轨上Q位置静止释放，与小球m2相碰，并多次重复．接下来要完成的必要步骤是________。(填选项前的符号)

A.用天平测量两个小球的质量m1、m2

B.测量小球m1开始释放的高度h

C.测量抛出点距地面的高度H

D.分别找到小球m1、小球m2相碰后平均落地点的位置M、N

E.测量平抛射程OM、ON

【答案】：(1)C　(2)ADE

【解析】(1)小球碰前和碰后的速度都用平抛运动来测量，即v＝，而由H＝gt2知，每次竖直高度相等，平抛时间相等．即m1 ＝m1 ＋m2；则可得m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，故只需测射程，C项正确。

(2)由表达式知，在OP已知时，需测量m1、m2、OM和ON，故必要步骤为A、D、E。

例2某同学用如图甲所示装置来验证动量守恒定律，实验时先让小球a从斜槽轨道上某固定点处由静止开始滚下，在水平地面上的记录纸上留下痕迹，重复10次；然后再把小球b静置在斜槽轨道末端，让小球a仍从原固定点由静止开始滚下，和小球b相碰后，两球分别落在记录纸的不同位置处，重复10次。回答下列问题：

(1)在安装实验器材时斜槽的末端应________。

(2)小球a、b质量ma、mb的大小关系应满足ma________mb，两球的半径应满足ra________rb。(均选填“＞”“＜”或“＝”)

(3)本实验中小球平均落地点的位置距O点的距离如图乙所示，小球a、b碰后的平均落地点依次是图乙中的________点和________点。

(4)在本实验中，验证动量守恒的式子是下列选项中的________。

A．ma·OC＝ma·OA＋mb·OB

B．ma·OB＝ma·OA＋mb·OC

C．ma·OA＝ma·OB＋mb·OC

【答案】(1)保持水平　(2)＞　＝  (3)A、C  (4)B

【解析(1)小球离开轨道后应做平抛运动，所以在安装实验器材时斜槽的末端必须保持水平，才能使小球做平抛运动。

(2)为防止在碰撞过程中入射小球被反弹，入射小球a的质量ma应该大于被碰小球b的质量mb，为保证两个小球的碰撞是对心碰撞，两个小球的半径应相等。

(3)由题图甲所示装置可知，小球a和小球b相碰后，根据动量守恒和能量守恒可知小球b的速度大于小球a的速度，由此可判断碰后小球a、b的落点位置分别为A点、C点。

(4)小球下落高度一样，所以在空中的运动时间t相等，若碰撞过程动量守恒，则应有mav0＝mava＋mbvb，两边同乘以时间t可得mav0t＝mavat＋mbvbt，即有ma·OB＝ma·OA＋mb·OC，故B项正确。