新教材高考物理一轮复习第6章动量守恒定律实验8验证动量守恒定律课件

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一、实验目的验证动量守恒定律。二、实验思路在一维碰撞中,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。
[方案一]利用气垫导轨完成一维碰撞实验实验器材气垫导轨、数字计时器、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、游标卡尺等。
进行实验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。 作用是减少摩擦力3.实验:接通电源,利用配套的数字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)。数据记录分析处理1.滑块速度的测量:v= ,式中Δx为滑块遮光片的宽度(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(遮光片)经过光电门的时间。2.验证的表达式:m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'。
[方案二]利用斜槽滚球验证动量守恒定律实验器材斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸、圆规、刻度尺等。进行实验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:按照如图甲所示的原理图安装实验装置,调整固定斜槽使斜槽底端水平。 保证平抛
3.铺纸:白纸在下,复写纸在上且在适当位置铺放好。记下铅垂线所指的位置O。 确定水平运动初始点4.单球找点: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,如图乙所示。改变入射小球的释放高度,重复实验。
数据记录分析处理1.小球水平射程的测量:连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度。2.验证的表达式:m1·OP=m1·OM+m2·ON。三、误差分析1.系统误差:主要来源于实验器材及实验操作等。(1)碰撞是否为一维碰撞。(2)气垫导轨是否完全水平,入射小球的释放高度存在差异。2.偶然误差:主要来源于质量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的测量。
四、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验证,给滑块的初速度应沿着导轨的方向。(2)若利用平抛运动规律进行验证,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。
典例1.(2022全国甲卷)利用如图所示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为m1的滑块A与质量为m2的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞,碰撞时间极短,比较碰撞后A和B的速度大小v1和v2,进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞。完成下列填空:
(1)调节导轨水平。(2)测得两滑块的质量分别为0.510 kg和0.304 kg。要使碰撞后两滑块运动方向相反,应选取质量为　　　　 kg的滑块作为A。 (3)调节B的位置,使得A与B接触时,A的左端到左边挡板的距离s1与B的右端到右边挡板的距离s2相等。(4)使A以一定的初速度沿气垫导轨运动,并与B碰撞,分别用传感器记录A和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间t1和t2。
(5)将B放回到碰撞前的位置,改变A的初速度大小,重复步骤(4)。多次测量的结果如下表所示。
解析 (2)要使两滑块碰撞后运动方向相反,应使质量小的滑块碰撞质量大的滑块,应选取质量为0.304 kg的滑块作为A。
(8)发生弹性碰撞时满足动量守恒和机械能守恒,可得m1v0=-m1v1+m2v2
典例2.(2023湖南高三模拟)如图所示,在水平桌面的左端固定一个圆弧槽滑道,滑道的末端与水平桌面相切。桌面的右端附近固定一个光电门。直径为d、质量为m1的小球1从圆弧槽上某处由静止释放。下滑到水平
桌面向右运动通过光电门与静止在桌面右边缘的质量为m2的小球2发生正碰,碰后小球1向左弹回,小球2离开桌面做平抛运动。测出小球1连续两次通过光电门的时间分别为t1、t2(光电门与球心等高),桌面离水平地面高度为h,小球2碰后做平抛运动的水平位移为x。
(1)若两球的碰撞为弹性碰撞,则两球的质量大小关系应满足m2　　　　(选填“<”“>”或“=”)m1。 (2)改变小球1在圆弧槽上静止释放的位置,重复实验,实验中测出多组t1、t2与x的数据。若要验证两小球在碰撞过程中动量守恒,则需要满足的关系式为　　　　　　　;若碰撞过程是弹性碰撞,则还需要满足关系式　　　　　　。(用题中所给物理量的符号表示) 
解析 (1)设小球1碰撞前后的速度分别为v1、v1',小球2碰撞后的速度为v2',取水平向右为正方向,弹性碰撞满足m1v1=m1v1'+m2v2'由于碰后m1向左弹回,则有m1-m2<0即m2>m1。
1.(2022浙江绍兴期末)利用“类牛顿摆”验证碰撞过程中的动量守恒定律。实验器材:两个半径相同的球1和球2,细线若干,坐标纸,刻度尺。实验步骤:(Ⅰ)如图甲所示,测量小球1、2的质量分别为m1、m2,将小球各用两细线悬挂于水平支架上,各悬点位于同一水平面。
(Ⅱ)将坐标纸竖直固定在一个水平支架上,使坐标纸与小球运动平面平行且尽量靠近。坐标纸每一小格是边长为d的正方形。将小球1拉至某一位置A,由静止释放,垂直坐标纸方向用手机高速连拍。(Ⅲ)如图乙所示,分析连拍照片得出,球1从A点由静止释放,在最低点与球2发生水平方向的正碰,球1反弹后到达的最高位置为B,球2向左摆动的最高位置为C,测得A、B、C到最低点的竖直高度差分别为h1=9d、h2=d、h3=4d。已知重力加速度为g。完成以下问题:
(1)碰前球1的动量大小为　　　　;若满足关系式　　　　,则验证碰撞中动量守恒。 (2)与用一根细线悬挂小球相比,本实验采用双摆线的优点是　　　　。 A.保证球1与球2都能在竖直平面内运动B.更易使小球碰撞接近弹性碰撞C.受空气阻力小一些
若碰撞中系统总动量守恒,规定向左为正方向,则满足m1v0=-m1v1+m2v2,解得2m1=m2。
(2)与用一根细线悬挂小球相比,本实验采用双摆线的优点是双摆线能保证小球运动更稳定,使得小球运动轨迹在同一竖直平面内,避免小球做圆锥摆运动,故A正确,B、C错误。
2.(2023山东济南一模)某研究性学习小组从北京冬奥会冰壶比赛项目中获得启发,利用冰壶碰撞来验证动量守恒定律。该小组在两个相同的奶粉罐中加水,放在户外结冰后制成两只质量不同的冰壶A和B,在户外一块平整的水平地面上泼水结冰形成冰面。小组成员用如图甲(俯视)所示的装置压缩弹簧后将冰壶弹出,此冰壶与另一只静止的冰壶发生碰撞。
主要实验步骤如下:①固定发射装置,将冰壶A压缩弹簧后释放;②标记冰壶A停止时的位置,在冰壶运动路径上适当位置标记一定点O,测出冰壶A停止时右端到O点的距离,如图乙所示。重复多次,计算该距离的平均值记为x1;③将冰壶B静置于冰面,左端位于O点。重新弹射冰壶A,使两冰壶对心正碰,测出冰壶A停止时右端距O点的距离和冰壶B停止时左端距O点的距离。重复多次,分别计算距离的平均值并记为x2和x3,如图丙所示。
(1)实验中,为确保冰壶A每次到达O点时的速度均相同的操作是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (2)为完成实验,还需要测出　　　　　　　　　　　　　　　　,验证动量守恒定律的表达式为　　　　　　　(用x1、x2、x3和测量物理量对应的字母表示)。 
解析 (1)确保冰壶A每次到达O点时的速度均相同,需要每次将弹簧压缩至同一位置。(2)根据动量守恒定律m1v1=m1v1'+m2v2',运动过程中做匀减速运动v2=2ax,
3.(2023陕西高三模拟)在实验室里为了验证动量守恒定律,采用如图所示装置进行实验。先将入射小球a从斜槽轨道上某固定点处由静止开始滚下,在四分之一圆弧轨道上留下压痕,再把被碰小球b放在斜槽轨道末水平段的最右端,让入射小球a仍从固定点由静止开始滚下,和被碰小球b相碰后,两球分别落在圆弧的不同位置处,重复多次,找到平均落点M、P、N。用量角器量出O'P、O'M、O'N与竖直方向的夹角分别为θ1、θ2、θ3。(1)若入射小球a质量为m1,半径为r1;被碰小球b质量为m2,半径为r2,则　　　 　。 A.m1>m2,r1>r2B.m1>m2,r1m2,r1=r2D.m1(2)放上被碰小球b,两球相碰后,小球a的落点是图中圆弧面上的　　　点,小球b的落点是图中圆弧面上的　　　点。(3)入射小球a的质量为m1,被碰小球b的质量为m2,则在用该装置实验时,所得验证动量守恒定律的公式为　　　　。(用题中所给物理量的字母表示)
解析 (1)为防止两球碰撞后入射球反弹,入射球的质量应大于被碰球的质量;为使两球发生对心碰撞,两球半径应相等,故C正确。(2)小球离开轨道后做平抛运动,设圆弧轨道的半径为R,设轨道末端与小球落点连线与竖直方向夹角为θ,小球做平抛运动的初速度为v,水平方向x=Rsin θ=vt则θ越大,小球做平抛运动的初速度v越大,两球发生碰撞后入射球的速度变小,小于碰撞前入射球的速度,且小于被碰球的速度,则M点是碰撞后入射球a的落点,N点是碰撞后被碰球的落点。
4.(2023福建福州模拟)某地中学生助手设计了一个实验演示板做“探究碰撞中的不变量”的实验,主要实验步骤如下:①选用大小为120 cm×120 cm的白底板竖直放置,悬挂点为O,并标上如图所示的高度刻度;
②悬挂点两根等长不可伸长的细绳分别系上两个可视为质点的A摆和B摆,两摆相对的侧面贴上双面胶,以使两摆撞击时能合二为一,以相同速度一起向上摆;③把A摆拉到右侧h1的高度,释放后与静止在平衡位置的B摆相碰。当A、B摆到最高点时读出摆中心对应的高度h2。回答以下问题:(1)若A、B两摆的质量分别为mA、mB,则验证动量守恒的表达式为　　　　　　(用上述物理量字母表示)。 (2)把A摆拉到右侧的高度为0.8 m,两摆撞击后一起向左摆到的高度为0.2 m,若满足A摆质量是B摆质量的　　　　倍,即可验证系统动量守恒,从而可以得出A摆碰前初动能为碰后两摆损失机械能的　　　　倍。