选择性必修 第一册第一章 动量守恒定律4 实验：验证动量守恒定律教学ppt课件

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【教学目标】1.能依据已有知识合理设计实验方案.2.能合理地选择实验器材,获得实验数据,分析实验数据,形成结论.3.能撰写实验报告,用学过的物理术语、图表等交流本实验的探究过程与结论.4.坚持实事求是,在合作中既能坚持观点又能修正错误.
【教材分析与教学建议】教材在第1节通过教师演示实验引导学生寻求碰撞中的不变量,后面又通过理论推导得出了动量守恒定律.学生通过必修课程的学习,已经储备了丰富的运动与相互作用关系的知识,初步形成了运动与相互作用观和能量观.本节主要是引导学生在初步掌握动量守恒定律的基础上,利用已有的知识进行实验设计、实验观察和数据分析.本节的重点应放在实验方案设计和实验数据分析上.
【实验思路】1.一维碰撞两个物体碰撞前沿同一直线运动,碰撞后　　　　　　　　　运动,这种碰撞叫作一维碰撞. 2.实验的基本思路在一维碰撞的情况下,与物体运动有关的物理量只有物体的　　　　和 　　　　. 3.验证动量守恒定律设两个物体的质量分别为m1和m2,碰撞前的速度分别为v1和v2,碰撞后的速度分别为v'1和v'2,若速度与我们设定的坐标轴的方向一致,则取正值,否则取负值.探究m1v1+m2v2=　　　　　　　　是否成立. 
m1v'1+m2v'2
方案一　研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒【实验原理】如图所示.这一实验装置不仅能保证碰撞是一维的,还可以做出多种情形的碰撞,速度的测量误差较小,这个方案是本实验的首选.【实验器材】学生电源、气垫导轨、滑块、天平、光电门、光电计时器等.
【物理量的测量】1.用天平测量两个滑块的质量m1、m2.2.调整导轨使之处于水平状态,并使光电计时器系统正常工作.3.如图所示,用细线将弹簧片弯成弓形,放在两个滑块之间,并使它们静止,然后烧断细线,两滑块随即向相反的方向运动.4.记录滑块上遮光条的宽度Δx以及光电计时器显示的遮光时间Δt,利用公式　　　　计算出两滑块相互作用前后的速度. 
5.如图所示,在一个滑块上装上弹簧,使两个滑块相互碰撞,重复步骤4.6.如图所示,在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥,二者相碰后粘在一起,重复步骤4.
【数据处理】将实验中测得的物理量填入如下表格.(m1=　　　　;m2=　　　　) 代入实验数据,看在误差允许的范围内动量是否守恒.
例1 气垫导轨是常用的一种实验仪器,它是利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫,使滑块悬浮在导轨上,滑块在导轨上运动时可视为没有摩擦.我们可以用带竖直挡板C和D的气垫导轨与滑块A和B验证动量守恒定律,实验装置如图所示(弹簧的长度忽略不计).实验步骤如下:A.用天平分别测出滑块A、B的质量mA、mB;B.调整气垫导轨,使导轨水平;C.在A和B间放入一个被压缩的轻弹簧,用电动卡销锁定,静止放置在气垫导轨上;
D.用刻度尺测出A的左端至挡板C的距离L1;E.按下电钮放开卡销,同时分别记录滑块A、B运动时间的计时器开始工作,当A、B滑块分别碰撞挡板C、D时计时结束,记下A、B分别到达C、D的运动时间t1和t2.(1)实验中还应测量的物理量及其符号是　　　　　　　　　　　　. (2)作用前A、B两滑块总动量为　.作用后A、B两滑块总动量为　　　　 (设向左为正方向). (3)作用前、后A、B两滑块总动量并不完全相等,产生误差的原因有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (至少答出两点). 
B的右端至挡板D的距离L2
①L1、L2、t1、t2、mA、mB的数据测量误差;②没有考虑弹簧推动滑块的加速过程(答出合理的两点即可)
变式 [2021·江苏无锡一中月考] 验证动量守恒定律的装置如图所示.在气垫导轨上给滑块A向右的速度,通过光电门1后与静止的滑块B相碰并粘在一起通过光电门2.计时器显示滑块A、B通过光电门1和2的时间分别为Δt1、Δt2.测得滑块A、B的质量分别为m1、m2,滑块A、B上的遮光条宽度分别为d1、d2.碰撞过程中,滑块A对B的冲量大小　　　　(选填“>”“<”或“=”)滑块B对A的冲量大小,碰撞过程中验证动量守恒定律的表达式为　　　　　　　　(用题中所给的字母表示). 
方案二　研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒【实验原理】如图所示.利用平抛运动的水平方向和竖直方向的等时性和独立性特点,高度相同则运动时间相同,水平方向做匀速直线运动则可用水平位移替代水平初速度.【实验器材】斜槽轨道、铅垂线、天平、钢球、白纸、复写纸、刻度尺等.
【物理量的测量】1.用天平测出两个小球的质量m1、m2,并选定质量大的小球为入射小球(设m1>m2).2.按照图所示安装实验装置,调整固定斜槽使斜槽末端水平.3.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.4.不放被碰小球,让入射小球从斜槽上某固定高度处由静止滚下,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.把被碰小球放在斜槽末端,让入射小球从斜槽同一高度处由静止滚下,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和被碰小球落点的平均位置N,如图所示.6.连接ON、OM、OP,测量线段OP、OM、ON的长度.将测量数据填入表中,最后代入　　　　　　　　　　,看在误差允许的范围内此式是否成立. 
例2 两位同学用如图甲所示装置,通过半径相同的A、B两球的碰撞来验证动量守恒定律.(1)实验中必须满足的条件是　　　　(填选项前的字母). A.斜槽轨道尽量光滑以减小误差B.斜槽轨道末端的切线必须水平C.入射球A每次必须从轨道的同一位置由静止滚下D.两球的质量必须相等
(3)乙同学也用上述两球进行实验,但将实验装置进行了改装,如图乙所示,将白纸、复写纸固定在竖直放置的木条上,用来记录实验中入射球A、被碰球B与木条的撞击点.实验时,首先将木条竖直立在轨道末端右侧并与轨道接触,让入射球A从斜轨上的起始位置由静止释放,撞击点为B';然后将木条平移到图中所示位置,入射球A从斜轨上起始位置由静止释放,确定其撞击点P';再将入射球A从斜轨上的起始位置由静止释放,与被碰球B相撞,确定入射球A和被碰球B相撞后的撞击点分别为M'和N'.测得B'与N'、P'、M'各点的高度差分别为h1、h2、h3.乙同学实验中应验证的表达式为　　　　　　　　　　. 
变式 某同学用如图所示装置来验证动量守恒定律,实验过程如下:①安装固定斜槽,用铅垂线确定槽口末端点对应水平地面的投影点,记作O;②将质量为m1的小球1放在斜槽适当位置,释放小球1,多次重复操作,将小球1落下时的平均位置记为B;③把质量为m2的小球2静止放在斜槽末端,再次释放小球1,让两个小球发生碰撞,多次重复操作,记录1、2两小球落点的平均位置分别为A、C;④用刻度尺测量A、B、C各点到O点的距离,分别记为xOA、xOB、xOC.
请回答下列问题:(1)在进行实验时满足的条件是　　　　(填选项前的字母). A.斜槽必须光滑B.斜槽末端切线必须水平且必须测量轨道末端到地面的距离C.实验中应用大小相同的小球且m1要大于m2D.实验中小球1每次必须从同一高度由静止滚下(2)若关系式　　　　　　　　　　　　　　(用题中给出的物理量表示)成立,则说明两球碰撞过程动量守恒. 
m1xOB=m1xOA+m2xOC
[解析] (1)实验中是通过平抛运动的基本规律求解碰撞前后的速度,只要小球离开轨道后做平抛运动即可,对斜槽是否光滑没有要求,故A错误;要保证每次小球都做平抛运动,则轨道的末端必须水平,但不需要测量轨道末端到地面的距离,故B错误;为了保证小球的碰撞为对心正碰且碰后不反弹,则实验中应用大小相同的小球且m1要大于m2,故C正确;要保证碰撞前的速度相同,所以小球1每次都要从同一高度由静止滚下,故D正确.(2)要验证动量守恒定律,即m1v1=m1v'1+m2v'2,小球做平抛运动,由平抛运动规律可知,两小球在空中运动的时间相同,上式可转换为m1v1t=m1v'1t+m2v'2t,所以需验证m1xOB=m1xOA+m2xOC.
1.某实验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,然后将锁定的弹簧和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,如图所示.若解除弹簧锁定,则这两个金属小球可以同时沿同一直线向相反方向弹射.现要测定弹射装置在弹射时所具有的弹性势能,并验证碰撞过程中动量守恒,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:①用天平测出1、2两球质量分别为m1、m2;②用刻度尺测出两管口离地面的高度均为h;③解除弹簧锁定弹出两球,记录下两球在水平地面上的落点M、N.
根据该小组同学的实验,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,还需要测量的物理量有　(填选项前的字母). A.弹簧的压缩量Δx B.两球落地点M、N到对应管口P、Q的水平距离x1、x2C.小球直径 D.两球从弹出到落地的时间t1、t2(2)根据测量结果,可得弹性势能的表达式为　 　. (3)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.为了验证碰撞中的动量守恒和检验两个小球的碰撞是否无机械能损失,某同学选取了两个体积相同、质量相差比较大的小球,按下述步骤做了实验:①用天平测出两小球的质量(分别为m1和m2,且m1>m2).②按如图所示安装好实验器材,将斜槽AB固定在桌边,使槽的末端切线水平,将一斜面BC连接在斜槽末端.③先不放被碰小球,让入射小球从斜槽顶端A处由静止开始滚下,记下小球在斜面上的落点位置.
④将被碰小球放在斜槽末端边缘处,让入射小球从斜槽顶端A处由静止开始滚下,使它们发生碰撞,分别记下两小球在斜面上的落点位置.⑤用毫米刻度尺量出各个落点位置到斜槽末端B的距离.图中D、E、F点是该同学记下小球在斜面上的落点位置,到B点的距离分别为LD、LE、LF.根据该同学的实验,回答下列问题:
1.(用平抛运动验证动量守恒定律)利用斜槽轨道做“验证动量守恒定律”的实验,实验中小球运动轨迹及落点的情况简图如图所示.(1)除了图中的器材外,还需要　　　　(填选项前的字母). A.停表B.刻度尺C.天平D.弹簧测力计E.游标卡尺
(2)下列关于实验的一些要求中必要的是　　　　(填选项前的字母). A.两个小球的质量应满足ma≪mbB.实验中重复多次让a球从斜槽上释放,应特别注意让a球从同一位置由静止释放C.斜槽轨道末端的切线必须水平D.需要测出轨道末端到水平地面的高度E.必须测量出小球的直径
2.(用气垫导轨验证动量守恒定律)用如图甲所示的装置验证动量守恒定律.气垫导轨上有A、B两个滑块,滑块A右侧带有一弹簧片,左侧与打点计时器(图中未画出)的纸带相连;滑块B左侧带有一弹簧片,上面固定一遮光条,光电计时器(图中未完全画出)可记录遮光条通过光电门的时间.
实验测得滑块A的质量m1=0.290 kg,滑块B的质量m2=0.100 kg,遮光条的宽度d=1.00 cm;打点计时器所用交流电的频率f=50 Hz.将光电门固定在滑块B的右侧,启动打点计时器,给滑块A一向右的初速度vA,使它与静止的B相碰,碰后光电计时器显示的时间ΔtB=3.50×10-3 s,则碰后B的速度为v'B=　　　　m/s.已知碰后A没有反向,打出的纸带如图乙所示,则碰前m1vA+m2vB=　　　　kg·m/s,碰后m1v'A+m2v'B=　　　　 kg·m/s.通过比较二者是否相等,从而判断A、B组成的系统在碰撞过程中动量是否守恒.(结果均保留三位有效数字)