高中物理微专题-实验八 验证动量守恒定律训练

这是一份高中物理微专题-实验八 验证动量守恒定律训练，共16页。试卷主要包含了实验目的，实验原理，实验器材，实验过程，数据处理，误差分析，注意事项等内容，欢迎下载使用。
近三年真题考察分布
实验讲解
一、实验目的
验证一维碰撞中的动量守恒定律。
二、实验原理
在一维碰撞中，测出相碰的两物体的质量m1、m2和碰撞前、后物体的速度v1、v2、v1′、v2′，算出碰撞前的动量p=m1v1＋m2v2及碰撞后的动量p′=m1v1′＋m2v2′，看碰撞前、后动量是否相等。
三、实验器材
方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验
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。
方案二：利用长木板上两车碰撞完成一维碰撞实验
光滑长木板、打点计时器、纸带、小车（两个）、天平、撞针、橡皮泥。
方案三：利用斜槽滚球完成一维碰撞实验
斜槽、小球（两个）、天平、复写纸、白纸等。
四、实验过程
方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验
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，如图所示。
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：利用长木板上两车碰撞完成一维碰撞实验
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，如图所示。
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，把两小车连接成一个整体运动。
4.测速度：通过纸带上两计数点间的距离及时间，由v=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。
方案三：利用斜槽滚球完成一维碰撞实验
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：安装实验装置，如图所示。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.整理：将实验器材放回原处。
五、数据处理
方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验
1.滑块速度的测量：v=，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。
2.验证的表达式：m1v1＋m2v2=m1v1′＋m2v2′。
方案二：利用长木板上两车碰撞完成一维碰撞实验
1.小车速度的测量：v=，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：m1v1＋m2v2=m1v1′＋m2v2′。
方案三：利用斜槽滚球完成一维碰撞实验
验证的表达式：m1·OP=m1·OM＋m2·ON。
六、误差分析
1.系统误差：主要来源于装置本身。
（1）碰撞不是一维。
（2）实验不满足动量守恒的条件，如气垫导轨不水平，用长木板实验时没有平衡摩擦力，两球不等大。
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。
七、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，调整气垫导轨时，应注意利用水平仪确保导轨水平。
（2）若利用两小车相碰进行验证，要注意平衡摩擦力。
（3）若利用平抛运动规律进行验证：
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。
3.探究结论：寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不变。
直击考点
考点一 利用气垫导轨验证动量守恒定律
1．如图甲所示，在做验证动量守恒定律实验时，在小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速运动，然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续做匀速运动。在小车A后连着纸带，电磁打点计时器的电源频率为50 Hz，长木板右端下面垫放小木片用以平衡摩擦力。
（1）若打点纸带如图乙所示，并测得各计数点间距（已标在图上）。A为打下的第一点，则应选 段来计算A的碰前速度，应选 段来计算A和B碰后的共同速度。（以上两空选填“AB”“BC”“CD”或“DE”）
（2）已测得小车A的质量m1＝0.40 kg，小车B的质量m2＝0.20 kg，由以上测量结果可得碰前总动量为 kg·m/s，碰后总动量为 kg·m/s。实验结论： 。（计算结果保留三位有效数字）
2．利用气垫导轨通过闪光照相进行“探究碰撞中的不变量”这一实验。实验要求研究两滑块碰撞时动能损失很小和很大等各种情况，若要求碰撞时机械能损失最大，应选图 （填“甲”或“乙”），若要求碰撞时机械能损失最小，则应选图 （填“甲”或“乙”）。（甲图两滑块分别装有弹性圈，乙图两滑块分别装有撞针和橡皮泥）

（2）某次实验时碰撞前B滑块静止，A滑块匀速向B滑块运动并发生碰撞，利用闪光照相的方法连续4次拍摄得到的闪光照片如图丙所示。已知相邻两次闪光的时间间隔为T，在这4次闪光的过程中，A、B两滑块均在0~80 cm的范围内，且第1次闪光时，滑块A恰好位于x＝10 cm处。若A、B两滑块的碰撞时间及闪光持续的时间极短，均可忽略不计，则可知碰撞发生在第1次闪光后的 时刻，A、B两滑块的质量比mA∶mB＝ 。
3．利用如图甲所示的气垫导轨验证动量守恒定律，在水平气垫导轨上放置两个质量均为m的滑块，每个滑块的一端分别与穿过打点计时器的纸带相连，两个打点计时器所用电源的频率均为f。气垫导轨正常工作后，接通两个打点计时器的电源，并让两滑块以不同的速度相向运动，两滑块相碰后粘在一起继续运动。图乙为某次实验打出的点迹清晰的纸带的一部分，在纸带上以同间距的6个连续点为一段划分纸带，用刻度尺分别量出其长度s1、s2和s3.若题中各物理量的单位均为国际单位。
（1）碰撞前，两滑块的动量大小分别为 、 ，两滑块的总动量大小为 ；碰撞后，两滑块的总动量大小为 。
（2）s1、s2和s3满足什么关系，说明两滑块相碰过程动量守恒？答： 。重复上述实验，多做几次。若碰撞前、后两滑块的总动量在实验误差允许的范围内总是相等，则动量守恒定律得到验证。
考点二 利用平抛运动验证动量守恒定律
4．下图为一弹簧弹射装置，在内壁光滑、水平固定的金属管中放有轻弹簧，弹簧压缩并锁定，在金属管两端各放置一个金属小球1和2（两球直径略小于管径且与弹簧不固连）。现解除弹簧锁定，两个小球同时沿同一直线向相反方向弹射。然后按下述步骤进行实验：
①用天平测出两球质量、；
②用刻度尺测出两管口离地面的高度h；
③记录两球在水平地面上的落点P、Q。
回答下列问题：
(1)要测定弹射装置在弹射时所具有的弹性势能，还需测量的物理量有 。（已知重力加速度g）
A．弹簧的压缩量Δx
B．两球落点P、Q到对应管口M、N的水平距离、
C．小球直径
D．两球从管口弹出到落地的时间、
(2)根据测量结果，可得弹性势能的表达式为=
(3)由上述测得的物理量来表示，如果满足关系式 ，就说明弹射过程中两小球组成的系统动量守恒。
5．在验证动量守恒定律实验中，实验装置如图所示，a、b是两个半径相等的小球，按照以下步骤进行操作
①在平木板表面钉上白纸和复写纸，并将该木板竖直立于紧靠槽口处，使小球a从斜槽轨道上固定点处由静止释放，撞到木板并在白纸上留下痕迹O；
②将木板水平向右移动一定距离并固定，在使小球a从固定点处由静止释放，撞到木板上得到痕迹B；
③把小球b静止放在斜槽轨道水平段的最右端，让小球a仍从固定点处由静止释放，和小球b相碰后，两球撞在木板上得到痕迹A和C
（1）为了保证在碰撞过程中a球不反弹，a、b两球的质量间的关系是 。
（2）完成本实验，必须测量的物理量有 -。
A．小球a开始释放的高度h
B．木板水平向右移动的距离l
C．A球和B球的质量
D．O点到A、B、C三点的距离分别为；
（3）若动量守恒，则需要验证的表达式为 （用所测量的已知量表示）
考点三 利用圆周运动验证动量守恒定律
6．如图甲所示，冲击摆是一个用细线悬挂着的摆块，弹丸击中摆块时陷入摆块内，使摆块摆至某一高度，利用这种装置可以测出弹丸的发射速度．
实验步骤如下：
①用天平测出弹丸的质量和摆块的质量；
②将实验装置水平放在桌子上，调节摆绳的长度，使弹丸恰好能射入摆块内，并使摆块摆动平稳，同时用刻度尺测出摆长；
③让摆块静止在平衡位置，扳动弹簧枪的扳机，把弹丸射入摆块内，摆块和弹丸推动指针一起摆动，记下指针的最大偏角；
④多次重复步骤③，记录指针最大偏角的平均值；
⑤换不同挡位测量，并将结果填入下表．
完成下列填空：
（1）现测得高速挡指针最大偏角如图乙所示，请将表中数据补充完整： ．
（2）用上述测量的物理量表示发射弹丸的速度 ．（已知重力加速度为）
（3）为减小实验误差，每次实验前，并不是将指针置于竖直方向的零刻度处，常常需要试射并记下各挡对应的最大指针偏角，每次正式射击前，应预置指针，使其偏角略小于该挡的最大偏角．请写出这样做的一个理由： ．
7．小斌做“探究碰撞中的不变量”实验的装置如图所示，悬挂在点的单摆由长为的细线和直径为的小球A组成，小球A与放置在光滑支撑杆上的直径相同的小球B发生对心碰撞，碰后小球A继续向右摆动，小球B做平抛运动．
(1)小斌用游标卡尺测小球A直径如图所示，则 ．又测得了小球A质量，细线长度，碰撞前小球A拉起的角度和碰撞后小球B做平抛运动的水平位移、竖直下落高度，重力加速度为，为完成实验，还需要测量的物理量有
A.小球B的质量
B.A与B碰前的运动时间
C.碰后小球A摆动的最大角度
(2)如果满足等式 （用实验测得的物理量符号表示），我们就认为在碰撞中系统的动量是守恒的。
考点四 利用其他运动形式验证动量守恒定律
8．某物理兴趣小组利用如图甲所示的装置进行实验在足够大的水平平台上的A点放置一个光电门，水平平台上A点右侧摩擦很小，可忽略不计，左侧为粗糙水平面，当地重力加速度大小为g.采用的实验步骤如下：
①在小滑块a上固定一个宽度为d的窄挡光片；
②用天平分别测出小滑块a（含挡光片）和小球b的质量、；
③滑块a和小球b用细线连接，中间夹一被压缩了的轻弹簧，静止放置在平台上；
④细线烧断后，滑块a和小球b瞬间被弹开，向相反方向运动；
⑤记录滑块a通过光电门时挡光片的遮光时间t；
⑥滑块a最终停在C点（图中未画出），用刻度尺测出A、C两点之间的距离；
⑦小球b从平台边缘飞出后，落在水平地面上的B点，用刻度尺测出平台距水平地面的高度h及平台边缘铅垂线与点之间的水平距离.
⑧改变弹簧压缩量，进行多次测量.
（1）该实验要验证“动量守恒定律”，则只需验证 = 即可.（用上述实验数据字母表示）
（2）改变弹簧压缩量多次测量后，该实验小组得到与的关系图像如图乙所示，图线的斜率为k，则平台上A点左侧与滑块a之间的动摩擦因数大小为 .（用上述实验数据字母表示）
年份
试卷
分值
难度
2019
浙江卷
3分
★★☆
挡位
平均最大偏角
弹丸质量
摆块质量
摆长
弹丸的速度
低速挡
15.7
0.00765
0.0789
0.270
5.03
中速挡
19.1
0.00765
0.0789
0.270
6.77
高速挡
0.00765
0.0789
0.270
7.15
参考答案：
1． BC DE 1.26 1.25 误差允许的范围内，碰撞前后系统动量守恒
【详解】（1）[1]推动小车由静止开始运动，故小车有加速过程，在碰撞前做匀速直线运动，即在相同的时间内通过的位移相同，由纸带上的点迹规律可知BC段为匀速运动的阶段，故选BC段计算A碰前的速度。
[2]碰撞过程是一个变速运动的过程，而A和B碰后共同运动时做匀速直线运动，故在相同的时间内通过的位移相同，由以上分析可知应选DE段来计算A和B碰后的共同速度。
（2）[3]由题图乙可知，BC＝31.50 cm＝0.3150 m，DE＝20.85 cm＝0.2085 m；碰前A的速度
碰后A、B的共同速度
碰前总动量
[4]碰后的总动量
[5]由此可说明在误差允许的范围内，碰撞前后系统动量守恒。
2． 乙 甲 2.5T 2∶3
【详解】（1）[1][2]乙图中由于装有撞针和橡皮泥，则两滑块相碰后成为一体，机械能的损失最大；而甲图中滑块装有弹性圈，二者碰后即分离，机械能的损失最小。
（2）[3][4]由图丙可知，前两段闪光时间间隔内A的位移相同，A、B不可能相碰；而由题意可知，B开始时静止，而碰后B一定向右运动，故B开始时静止在60 cm处，由此可知，在第1次闪光后的2.5T时，A、B发生碰撞；设碰前A的速度大小为v，则碰后A的速度大小为，碰后B的速度大小为v，取向右为正方向，根据动量守恒定律得
解得
3． 0.2mfs3 0.2mfs1 0.2mf（s1-s3） 0.4mfs2
【详解】（1）[1][2]由图乙结合实际情况可以看出，和是两物体相碰前打出的纸带，是相碰后打出的纸带，在纸带上以等间距的6个连续点为一段划分纸带，中间有5个间隔，打点计时器所用电源的频率均为f；所以碰撞前物体的速度分别为
碰撞后两物体共同速度
所以碰前两物体动量分别为
[3][4]设p1方向为正方向，则碰前两滑块的总动量为
碰后总动量
（1）[5]若碰撞前、后两滑块的总动量在实验误差允许的范围内总是相等,则说明两滑块相碰过程动量守恒，即
所以有
化简后可得
满足关系式说明两滑块相碰过程动量守恒。
4． B
【详解】(1)[1]弹射装置在将两小球弹射出金属管过程中，弹簧的弹性势能转化为两小球的动能，则
题中已测出了两球质量、，两管口离地面的高度h；再测出两球落点P、Q到对应管口M、N的水平距离、，即可算出两球离开管口的速度，从而计算出弹簧的弹性势能，故选B。
(2)[2]小球离开管口做平抛运动时，有
，
则两球离开管口的速度
、
则弹性势能的表达式
(3)[3]若弹射过程中两小球组成的系统动量守恒，则
即
5． > CD
【详解】（1）[1]为放置两球碰撞后，入射球反弹，入射球的质量应大于被碰球的质量，即.
（2）[2]a、b两球碰撞前后做平抛运动
得
验证动量守恒定律表达式为
变为
因此需要测量a球和b球的质量以及O点到A、B、C三点的距离分别为，故选CD.
（3）[3] 若动量守恒，则需要验证的表达式为.
6． 22.4（22.1°~22.7°均正确） 较大的速度碰撞指针，会损失较多的机械能
【详解】(1)[1]分度值为1°，故读数为22.4°（22.1°~22.7°均正确）；
(2)[2]弹丸射入摆块内，系统动量守恒
摆块向上摆动，由机械能守恒定律得
联立解得
(3)[3] 弹丸射入摆块时，机械能损失
联立动量守恒定律可得
所以较大的速度碰撞指针，会损失较多的机械能（其他理由，如“摆块在推动指针偏转时要克服摩擦力做功”“指针摆动较长的距离损失的机械能较多”等，只要合理即可）。
7． 14.40 AC
【详解】(1)[1]球的直径为d=14mm+×8mm=14.40mm；
[2]根据机械能守恒定律可得碰撞前瞬间球A的速度
解得

碰撞后对球A
对球B

解得

要验证的关系是

解得
则为完成实验，还需要测量的物理量有：小球B的质量以及碰后小球A摆动的最大角度β，故选AC。
(2)[3]由(1)的分析可知，如果满足等式
我们就认为在碰撞中系统的动量是守恒的。
8．
【详解】（1）[1] [2]烧断细线后，滑块a向左运动，经过光电门。滑块a经过光电门的速度
小球b离开平台后做平抛运动，根据平抛运动规律可得
，
解得
若动量守恒，设水平向右为正，则有
即
.
（2）[3]对滑块a由光电门向左运动过程分析，则有
经过光电门的速度
由牛顿第二定律可得
联立可得
则由题图乙可知