高考物理一轮复习单元综合训练专题39 验证动量守恒定律（2份，原卷版+解析版）

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教材经典实验方案的原理、步骤和数据处理
【例1】某小组用如图甲所示的实验装置来验证动量守恒定律。实验时先让质量为m1的入射小球A从斜槽上某一固定位置C由静止释放，小球A从轨道末端水平抛出，落到位于水平地面的复写纸上，在下面的白纸上留下痕迹，重复上述操作10次，得到10个落点痕迹，再把质量为m2的被碰小球B放在水平轨道末端，仍将小球A从位置C由静止释放，小球A和B碰撞后，分别在白纸上留下各自的落点痕迹，重复操作10次。M、P、N为三个落点的平均位置，Q点是水平轨道末端在记录纸上的竖直投影点，如图乙所示。

回答下列问题：
（1）上述实验除需测量线段OM、OP、ON的长度外，还需要测量的物理量有 。
A．小球A和小球B的质量m1、m2 B．斜槽末端离地面的高度h
C．位置C到斜槽末端的高度差Δh D．两小球的直径d
（2）下列说法中不正确的是 。
A．安装轨道时，轨道末端必须水平
B．实验必须保证两球质量相等，半径相同
C．实验过程中，复写纸可以移动，白纸不能移动
D．用半径尽量小的圆把10个落点圈起来，这个圆的圆心可视为小球落点的平均位置
（3）经测定入射小球的质量为m1，被碰的小球质量为m2，小球落地点的平均位置距O点的距离如图所示。当所测物理量满足表达式 （用所测物理量的字母表示）时，即可证明两球碰撞过程遵守动量守恒定律。

（4）实验中小球与斜槽之间存在摩擦力，这对实验结果 （选填“有”或“没有”）影响。
（5）在上述实验中更换两个小球的材质和质量，其他条件不变，可以使被碰小球做平抛运动的射程增大。分析和计算出被碰小球m2平抛运动射程的最大值为 （用x2表示）
新高考的改进创新实验
1.光电门测速法
【例2】如图所示为验证动量守恒定律的装置，气垫导轨上安装了1、2两个光电门，两滑块上固定宽度相同的竖直遮光条。
（1）实验前需调节导轨水平。接通气源后，在导轨上轻放一个滑块，给滑块一初速度，若滑块从轨道右端向左运动时通过光电门1的时间大于通过光电门2的时间，则需要调节旋钮Q使轨道右侧 （填“升高”或“降低”）；
（2）测出滑块A和遮光条的总质量为，滑块B和遮光条的总质量为。将滑块B静置于两光电门之间，滑块A静置于光电门1右侧，推动A，使其获得水平向左的速度，经过光电门1后与B发生碰撞且被弹回，再次经过光电门1。光电门1先后两次记录的挡光时间为、，光电门2记录的挡光时间为，取向左为正方向，则本实验中验证动量守恒的表达式为 （用题目所给物理量符号表示）；
（3）若实验中发生的碰撞为弹性碰撞，则、、三者之间应满足的关系式是 。
A． B． C． D．
2.“平抛+斜面”法
【例3】某同学用如图所示“碰撞实验器”验证动量守恒定律，即研究两个小球在轨道水平部分发生碰撞前后的动量关系：（设两个小球为弹性材料，发生弹性碰撞）

先用天平测出弹性小球1、2的质量分别为，然后完成以下实验步骤：
步骤1：不放小球2，让小球1从斜槽上A点由静止滚下，并落在地面上，记录落点位置；
步骤2：把小球2放在斜槽末端边缘位置B，让小球1从A点由静止滚下，小球1和小球2发生碰撞后落在地面上，记录两个落点位置；
步骤3：用刻度尺分别测量三个落地点的位置M、P、N离O点的距离，得到线段OM、OP、ON的长度分别为。
（1）对于上述实验操作，小球1质量应 小球2的质量（选填“大于”或“小于”）。
（2）当所测物理量满足表达式 （用所测物理量的字母表示）时，即说明两球碰撞遵守动量守恒定律。
（3）完成上述实验后，某实验小组对上述装置进行了改造，如图所示。
在水平槽末端与水平地面间放置了一个斜面，斜面的顶点与水平槽等高且无缝连接。使用同样的小球，小球1仍从斜槽上A点由静止滚下，重复实验步骤1和2的操作，得到斜面上三个落点、、。用刻度尺测量斜面顶点到、、三点的距离分别为。则验证两球碰撞过程动量守恒的表达式为： ，若，，则 。
3.“平抛+竖直面”法
【例4】4．学习小组利用如下实验装置研究两小球弹性碰撞过程中的动量守恒。如图所示，斜槽固定在水平桌面上且末端切线水平，距槽末端一定距离的位置固定着一个竖直挡板，A、B两小球直径相同且发生弹性碰撞，不计斜槽转折点的能量损耗和空气阻力，实验步骤如下：
①将白纸、复写纸固定在竖直挡板上，用来记录实验中小球与竖直挡板的撞击点；
②用水平仪确定竖直挡板上与小球圆心O等高的点并记录为P；
③让入射小球A单独从斜槽固定挡板处静止自由释放，记录小球在竖直挡板上的撞击点；
④将被碰小球B静止放置在水平轨道的末端，让入射球A再次从斜槽固定挡板处静止释放，A、B两球在斜槽末端碰后均向右水平抛出，记录A、B两小球在竖直挡板上的撞击点；
⑤重复③④操作多次，确定两小球各次的平均撞击点Q、M、N；
⑥测得、、
根据该实验小组的实验，回答下列问题：

（1）关于该实验，下列说法正确的是
A．该实验要求斜槽必须尽可能光滑
B．该实验无需要求斜槽光滑
C．入射小球A的质量应大于被碰小球B的质量
D．入射小球A的质量应小于被碰小球B的质量
（2）根据实验操作，3个撞击点P、Q、M、中，入射小球A单独释放后在竖直挡板上的撞击点为 点，A、B碰撞后A的撞击点为 点，A、B碰撞后B的撞击点为 点。
（3）该实验由于没有天平无法测出小球A、B的质量，实验小组认为只要测出、、，且满足 （写出、、关系式），则在误差允许范围内，小球A、B发生弹性碰撞过程中的动量守恒。
4.“减速测速”法
【例5】某同学为了验证对心碰撞过程中的动量守恒定律，设计了如下实验：用纸板搭建如图所示的滑道，使硬币可以平滑地从斜面滑到水平面上，其中为水平段，在水平段取一点。选择相同材质的一元硬币和一角硬币进行实验。

测量硬币的质量，得到一元硬币和一角硬币的质量分别为和。将硬币放置在斜面上某一位置，标记此位置为。由静止释放a，当a停在水平面上某处时，测量a右侧到点的距离，如图甲所示；将硬币b放置在处，左侧与点重合，再将a从点由静止释放，当两枚硬币发生碰撞后，a、b分别停在水平面上时，测量a右侧到点的距离、b左侧到点的距离，如图乙所示。保持释放位置不变，重复实验若干次，得到的平均值分别为。
（1）在本实验中，b选用的是 （选填“一元”或“一角”）硬币。
（2）若a、b碰撞前后动量守恒，则应满足的表达式为 （用、和表示）；若碰撞前后动量守恒且机械能相等，则应满足的表达式为 （用和表示）。
（3）该同学规范的完成了实验的每一步操作，最后代入实验测得的数据，发现碰撞前后动量并不守恒，原因可能是 （回答一条即可）。
5.“单摆碰撞”法
【例6】6．一研究学习小组利用图所示装置，将钢球a用细线悬挂于O点，钢球b放在离地面高度为H=0.80m的支柱上，O点到a球球心的距离为L=0.20m。将a球拉至悬线与竖直线夹角为，由静止释放后摆到最低点时恰与b球正碰，碰撞后a球把轻质指示针（图中未画出）推移到与竖直线夹角β处，b球水平抛出后落到地而上，测出b球的水平位移s。当地重力加速度为g。
（1）由题可知：a球的质量 b球的质量（填“大于”、“小于”或“等于”）；
（2）碰后b球速度的表达式= （用s、g、H表示）﹔
（3）多次实验，发现钢球a、b碰撞过程不仅动量守恒，机械能也守恒，作出了cs-cs的关系图线，且斜率为，则钢球a、b的质量之比 。
6.频闪照相法
【例7】气垫导轨是一种现代化的力学实验仪器。它利用小型气源将压缩空气送入导轨内腔，空气再由导轨表面上的小孔中喷出，在导轨表面与滑行器内表面之间形成很薄的气垫层。滑行器就浮在气垫层上，与导轨平面脱离接触，因而能在轨面上做近似无阻力的直线运动，极大地减小了以往在力学实验中由于摩擦力引起的误差。某实验小组现在利用气垫导轨装置结合频闪照相的方法进行“探究碰撞中的不变量”这一实验。
(1)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，若要求碰撞时动能损失最大应选图中的 （填“甲”或“乙”）、若要求碰撞动能损失最小则应选图中的 。（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0~80cm的范围内，且第1次闪光时，滑块A恰好位于x=10cm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（用字母T表示），A、B两滑块质量比mA：mB= 。
【综合提升专练】
1．如图所示，甲同学用半径相同的A、B两球的碰撞可以验证“动量守恒定律”。实验时先让质量为的A球从斜槽轨道上某一固定位置S由静止开始滚下，从轨道末端抛出，落到位于水平地面的复写纸上，在下面的白纸上留下痕迹。重复上述操作10次，得到10个落点痕迹，P为落点的平均位置。再把质量为的B球放在斜槽轨道末端，让A球仍从位置S由静止滚下，与B球碰撞后，分别在白纸上留下各自的落点痕迹，重复操作10次，M、N分别为落点的平均位置。

（1）实验中，直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的。但是，可以通过仅测量 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OM、OP、ON
（2）以下提供的测量工具中，本实验必须使用的是 。
A．刻度尺 B．天平 C．游标卡尺 D．秒表
（3）关于本实验，下列说法正确的是 。
A．斜槽轨道必须光滑
B．斜槽轨道末端必须水平
C．入射球每次必须从同一位置由静止释放
D．实验过程中，白纸、复写纸都可以移动
（4）在实验误差允许范围内，若满足关系式 ，则可以认为两球碰撞为弹性碰撞。（用已知量和（1）中测得的物理量表示）
2．验证动量守恒的实验可以在如图1所示的气垫导轨上完成，其中左、右两侧的光电门可以记录遮光片通过光电门的挡光时间。实验前，测得滑块A（连同其上的遮光片）的总质量为、滑块B（连同其上的遮光片）的总质量为，两滑块上遮光片的宽度相同。实验时，开启气垫导轨气源的电源，轻轻拨动两滑块，两滑块在导轨上自由运动时近似为匀速运动，再让滑块A从导轨的左侧向右运动，穿过光电门与静止在两光电门之间的滑块B发生碰撞。

（1）关于实验，下列说法正确的是 。
A．本实验可以不用通过垫高导轨的方式平衡滑块和轨道间的摩擦阻力
B．两滑块的质量应满足
C．需要用刻度尺测量两光电门之间的距离
D．需要用秒表测定滑块上的遮光片经过光电门的时间
（2）在某次实验中，光电门记录的遮光片挡光时间如下表所示。
在实验误差允许范围内，若满足关系式 ，即验证了碰撞前后两滑块组成的系统动量守恒（用测量的物理量表示）；在实验误差允许范围内，若还满足关系式 ，即验证了两滑块的碰撞为弹性碰撞（用测量的物理量表示）。
（3）若滑块A第一次经过左侧光电门的时间为T，滑块B第一次经过右侧光电门的时间为，通过改变两滑块的质量比值、在两滑块间增加轻质弹簧，可以使比值变大，的上限值为 。
（4）在生活中，某同学观察到，在台球桌面上，运动的球和静止的球发生斜碰时，两球的出射方向总是相互垂直，如图2所示。已知两球大小相同，质量相等，请你解释发生这种现象的原因 。

3．某校同学们分组进行碰撞的实验研究。
（1）第一组利用气垫导轨通过频闪照相进行探究碰撞中的不变量这一实验。若要求碰撞动能损失最小则应选下图中的 （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）第二组利用频闪照片法去研究。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，利用频闪照相的方法连续4次拍摄得到的照片如图丙所示。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0～80cm范围内，且第1次闪光时，滑块A恰好位于x=10cm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两滑块质量比mA:mB= ；
（3）第三组同学用如图（a）所示的实验装置研究两个小球的碰撞，他用两个大小相同质量不等的A和B两个钢球（mA＞mB）进行实验。
首先该同学使球A自斜槽上某一高度由静止释放，从斜槽的末端水平飞出，测出球A落在水平地面上的P（图中未画出）与球飞出点在地面上垂直投影O的距离为LOP。然后该同学使球A自同一高度由静止释放，在斜槽的末端与静止的球B发生斜碰，如俯视图（b）所示，碰后两球向不同方向运动，测出A、B两球落地点M、N（图中未画出）与O点间的距离分别为LOM、LON。该同学多次重复实验，并将测量值取平均值，已知碰撞过程中没有机械能损失。下列关系式正确的是 。
A．
B．
C．
D．
4．为了验证动量守恒定律，某实验小组选取两个材质相同而质量不同的滑块A和B，并按下述步骤进行了实验：
①在A、B的相撞面分别粘上橡皮泥，便于二者相撞后连成一体；
②实验装置如图甲所示，铝质导轨槽固定在水平桌面上，其倾斜段的右端和水平段的左端由一小段圆弧连接，在导轨槽的侧面且与水平导轨等高处安装一台数码频闪照相机；
③将滑块B静置于槽的水平段某处，滑块A由槽的倾斜段适当位置静止释放，同时开始频闪拍摄，直至两滑块停止运动，得到一幅多次曝光的照片；
④多次重复步骤③，得到多幅照片，挑选其中最理想的一幅，打印出来，将刻度尺紧靠照片放置，如图乙所示（图中只显示滑块A）。
请对上述操作进行分析并回答以下问题：
（1）根据图片分析可知，滑块在水平铝质导轨槽上运动 （填写“受到”或“不受”或“不能确定”）摩擦力作用。
（2）分析图乙可知，A、B滑块碰撞发生的位置是 （选填P5、P6或P7）；
（3）若已知频闪周期为T，则碰撞前瞬间A滑块的速度为 ；碰撞后粘合体瞬间的速度为
（4）此实验验证动量守恒的表达式为 。

5．某问学设计了一个如图所示的实验装置验证动量守恒定律。小球A底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条，用悬线悬挂在O点，光电门固定在O点正下方铁架台的托杆上，小球B放在竖直支撑杆上，杆下方悬挂一重锤，小球A（包含遮光条）和B的质量用天平测出分别为、，拉起小球A一定角度后释放，两小球碰撞前瞬间，遮光条刚好通过光电门，碰后小球B做平抛运动而落地，小球A反弹右摆一定角度，计时器的两次示数分别为、，测量O点到球心的距离为L，小球B离地面的高度为h，小球B平抛的水平位移为x。

（1）关于实验过程中的注意事项，下列说法正确的是 。
A．要使小球A和小球B发生对心碰撞
B．小球A的质量要大于小球B的质量
C．应使小球A由静止释放
（2）某次测量实验中，该同学测量数据如下：d=0.5cm，L=0.5m，h=0.45m，x=0.30m，，，重力加速度g取10m/s2，若小球A（包含遮光条）与小球B的质量之比为 ，则动量守恒定律得到验证，根据数据可以得知小球A和小球B发生的碰撞是 碰撞（“弹性”或“非弹性”）。
6．某研究性学习小组的同学制作了一个弹簧弹射装置，轻弹簧两端各放一个金属小球（小球与弹簧不连接），压缩弹簧并锁定，然后将锁定的弹簧两个小球组成的系统放在内壁光滑的金属管中（管径略大于两球直径），金属管水平固定在离地面一定高度处，在金属管两端各放置一个长度相同木板，在长木板上放有白纸和复写纸，可以记录小球在木板上落点的位置，如图所示。解除弹簧锁定，则这两个金属小球可以同时沿同一直线向相反方向弹射。现要探究弹射过程所遵循的规律，实验小组配有足够的基本测量工具，并按下述步骤进行实验：已知重力加速度为g。
（1）用天平测出两球质量分别为、；
（2）解除弹簧锁定弹出两球，记录下两球在木板上的落点M、N；
（3）两球落地点M、N到木板上端的距离、。
根据研究性学习小组同学的实验，回答下列问题：
①用测得的物理量来表示，如果满足关系式 ，则说明弹射过程中系统动量守恒。
②要测定弹射装置在弹射时所具有的弹性势能，还需要测量的物理量有 ，根据测量结果，可得弹性势能的表达式为 。
7．某同学利用如下实验装置研究两物体碰撞过程中的守恒量。实验步骤如下：
①如图所示，将白纸、复写纸固定在竖直放置的木条上，用来记录实验中球1、球2与木条的撞击点；
②将木条竖直立在轨道末端右侧并与轨道接触，让入射球1从斜轨上A点由静止释放，撞击点为；
③将木条平移到图中所示位置，让入射球1从斜轨上A点由静止释放，撞击点为；
④把球2静止放置在水平轨道的末端，让入射球1从斜轨上A点由静止释放，确定球1和球2相撞后的撞击点；
⑤测得与、、各点的高度差分别为、、。
根据该同学的实验，回答下列问题：
（1）两小球的质量关系为 （填“＞”“=”或“＜”）。
（2）把小球2放在斜轨末端边缘处，让小球1从斜轨上A处由静止开始滚下，使它们发生碰撞，碰后小球1的落点在图中的 点。
（3）若再利用天平测量出两小球的质量分别为、，则满足 时表示两小球碰撞前后动量守恒；满足 时表示两小球碰撞前后的机械能守恒。
8．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。如图（a）所示，先安装好实验装置，在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸，记下重垂线所指的位置O。
实验步骤如下：
步骤1：不放小球2，让小球1从斜槽上A点由静止滚下并落在地面上，重复多次，用尽可能小的圆，把小球的所有落点圈在里面，其圆心就是小球落点的平均位置；
步骤2：把小球2放在斜槽前端边缘位置B，让小球1从A点由静止滚下，使它们碰撞，重复多次，并使用与步骤1同样的方法分别标出碰撞后两小球落点的平均位置；
步骤3：用刻度尺分别测量三个落地点的平均位置M、P、N离O点的距离，即线段OM、OP、ON的长度。
（1）上述实验除需测量线段OM、OP、ON的长度外，还需要测量的物理量有 。
A．小球1和小球2的质量m1、m2
B．B点离地面的高度h
C．A、B两点间的高度差Δh
D．小球1和小球2的半径r
（2）当所测物理量满足表达式 （用所测物理量的字母表示）时，即说明两球碰撞遵守动量守恒定律。
（3）若测得各落点痕迹到O点的距离OM=2.68 cm，OP=8.62 cm，ON=11.50 cm，并知小球1、2的质量比为2∶1，则系统碰撞前总动量p与碰撞后总动量p′的百分误差= %（结果保留一位有效数字）。
（4）完成上述实验后，某实验小组对上述装置进行了改造，如图（b）所示，图中圆弧为圆心在斜槽末端B的圆弧。使小球1仍从斜槽上A点由静止滚下，重复实验步骤1和2的操作，得到两球落在圆弧上的平均位置为M′、P′、N′。测得斜槽末端与M′、P′、N′三点的连线与竖直方向的夹角分别为α1、α2、α3，则验证两球碰撞过程中动量守恒的表达式为 （用所测物理量的字母表示）。
导练目标
导练内容
目标1
教材经典实验方案的原理、步骤和数据处理
目标2
新高考的改进创新实验
左侧光电门
右侧光电门
碰前
无
碰后