2025年新高考物理二轮复习实验8　验证动量守恒定律（课件）

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实验8　验证动量守恒定律
1.理解动量守恒定律成立的条件,会利用不同案例验证动量守恒定律。 2.知道在不同实验案例中要测量的物理量,会进行数据处理及误差分析。
【典例1】　某同学利用打点计时器和气垫导轨做验证动量守恒定律的实验,气垫导轨装置如图甲所示,所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成。在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着一定数量的小孔,向导轨空腔内不断通入压缩空气,空气会从小孔中喷出,使滑块稳定地漂浮在导轨上,这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差。
类型1　实验基本技能应用
下面是实验的主要步骤:①安装好气垫导轨,调节气垫导轨的调节旋钮,使导轨水平。②向气垫导轨通入压缩空气。③把打点计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧,将纸带穿过打点计时器和弹射架并固定在滑块1的左端,调节打点计时器的高度,直至滑块拖着纸带移动时,纸带始终在水平方向。④使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳。⑤把滑块2放在气垫导轨的中间,已知碰后两滑块一起运动。
⑥先________________________,然后________________,让滑块带动纸带一起运动。⑦取下纸带,重复步骤④⑤⑥,选出较理想的纸带如图乙所示。⑧测得滑块1(包括撞针)的质量为310 g,滑块2(包括橡皮泥)的质量为 205 g。
(1)试着完善实验步骤⑥的内容。(2)已知打点计时器每隔0.02 s打一个点,计算可知两滑块相互作用前质量与速度的乘积之和为________kg·m/s;两滑块相互作用以后质量与速度的乘积之和为________kg·m/s。(均保留3位有效数字)(3)试说明(2)问中两结果不完全相等的主要原因是________________________________________。
答案　(1)接通打点计时器的电源　放开滑块1(2)0.620　0.618(3)纸带与打点计时器的限位孔有摩擦
【典例2】　某同学设计了一个用电磁打点计时器验证动量守恒定律的实验:在小车A的前端粘有橡皮泥,推动小车A使之做匀速直线运动,然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体,继续做匀速直线运动。他设计的装置如图甲所示。在小车A后连着纸带,电磁打点计时器所用电源频率为50 Hz,长木板下垫着薄木片以平衡摩擦力。
(1)若已测得打点纸带如图乙所示,并测得各计数点间距(已标在图上)。A为运动的起点,则应选________段来计算A碰前的速度。应选________段来计算A和B碰后的共同速度。(均选填“AB”“BC”“CD”或“DE”)(2)已测得小车A的质量m1=0.4 kg,小车B的质量为m2=0.2 kg,则碰前两小车的总动量为______kg·m/s,碰后两小车的总动量为_______kg·m/s。
解析　(1)从分析纸带上打点的情况看,BC段既表示小车做匀速运动,又表示小车有较大速度,因此BC段能较准确地描述小车A在碰撞前的运动情况,应选用BC段计算小车A碰前的速度。从CD段打点的情况看,小车的运动情况还没稳定,而在DE段内小车运动稳定,故应选用DE段计算A和B碰后的共同速度。
答案　(1)BC　DE　(2)0.420　0.417
【典例3】　某学习小组验证两个小球在斜槽末端发生碰撞时是否遵守动量守恒定律。如图甲所示,将斜槽固定在铁架台上,使槽的末端水平。先将小球a从斜槽轨道上某固定点由静止释放,落在水平地面上的记录纸上留下压痕,重复10次,其平均落点记为P点;再把同样大小的小球b放在斜槽轨道末端,将小球a仍从原固定点由静止释放后与小球b相碰,碰后两小球分别落在记录纸的不同位置,重复10次,两小球的平均落点记为 M、N。以碰撞前、后两小球的平均落点所在直线为轴,以斜槽末端的投影点O为坐标原点作出图乙。
(1)(多选)关于本实验,下列说法正确的是________(填选项字母)。A.实验时,斜槽轨道末端的切线必须水平B.必须测量斜槽轨道末端到水平地面的高度HC.同一组实验中小球a必须从同一位置由静止释放D.必须测量入射小球的释放点到斜槽轨道末端的高度h(2)经测定,小球a的质量m1=45.0 g,小球b的质量m2=7.5 g,小球落地点的平均位置距O点的距离如图乙所示。根据实验所给数据,可判断两小球在斜槽末端的碰撞________(填“遵守”或“不遵守”)动量守恒定律,其依据是_________________。
(2)将数据代入m1OP=m1OM+m2ON,可得45 g×44.80 cm≈45 g×35.20cm +7.5 g×55.68 cm,在误差允许的范围内成立,故可得出两小球在斜槽末端的碰撞遵守动量守恒定律。
答案　(1)AC　(2)遵守　在误差允许的范围内,满足m1OP=m1OM+m2ON
考向1　实验方案创新【典例4】　(2023·辽宁卷)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OA为水平段,选择相同材质的一元硬币和一角硬币进行实验。
类型2　实验的迁移、拓展和创新
测量硬币的质量,得到一元和一角硬币的质量分别为m1和m2(m1>m2),将硬币甲放置在斜面上某一位置,标记此位置为B。由静止释放甲,当甲停在水平面上某处时,测量甲从O点到停止处的滑行距离OP。将硬币乙放置在O处,左侧与O点重合,将甲放置于B点由静止释放。当两枚硬币发生碰撞后,分别测量甲、乙从O点到停止处的滑行距离OM和ON。保持释放位置不变,重复实验若干次,得到OP、OM、ON的平均值分别为s0、 s1、s2。
(4)碰撞前后甲动量变化量大小与乙动量变化量大小的比值不是1的原因:①质量和距离的测量存在误差;②两硬币碰撞内力不远远大于外力,动量守恒只是近似满足,即如果摩擦力非常大,动量守恒只是近似满足。
　　试题的创新有三处:一是间接测量速度的方法,由在水平面上滑动的距离求得;二是原理关系式的推理过程;三是实验误差的分析。
考向2　实验目的改变【典例5】　(2022·全国甲卷)利用图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。
1.如图利用冲击摆装置可测量弹簧的弹性势能,扳动弹簧枪的扳机释放弹簧,弹簧的弹性势能转化为弹丸的动能,弹丸离开枪口,击中摆块并陷入其中,打击时间极短,摆块推动指针摆动,重力加速度为g,不计空气阻力。实验步骤为:
(1)测出弹丸的质量m和摆块的质量M;(2)调节摆块静止时高度与枪口保持水平,测出悬点到摆块中心的距离为l; (3)发射弹丸,击中摆块,弹丸与摆块摆动推动指针到最高点,指针显示摆角为θ;解决下列问题(结果用题目所给物理量及测量数据的符号表示)①弹丸击中摆块后两者的速度为________,击中摆块前弹丸速度为________________。②若不计枪筒摩擦力,可测得弹簧枪内弹簧发射弹丸前的弹性势能为________________________。
2.某实验小组在水平桌面左端固定一弹射装置,PQ为中轴线,OO'与轴线垂直并作为参考线,用两个材料相同、质量不同的滑块A、B验证动量守恒定律。实验步骤如下:a.压缩弹簧将滑块A从P处沿PQ弹射,滑块A停止后,测出其右端到OO'的距离s1,如图甲所示;
b.将质量较小的滑块B静置于轴线上,并使其左端与OO'相切,如图乙所示;
c.将弹簧压缩至图甲中相同位置,确保滑块A到达OO'线时具有相同的动量,滑块A在OO'处与滑块B相碰,两滑块停止后,分别测出滑块A右端和滑块B左端到OO'的距离s2、s3,如图丙所示。
(1)要验证两滑块碰撞过程中动量守恒,还需要测量________________。(2)若测量数据s1、s2、s3近似满足关系式________,说明滑块A、B发生了弹性碰撞。
3.某同学利用如图甲所示的实验装置“探究碰撞中的动量守恒”实验。AB部分为气垫导轨,圆弧与气垫导轨在A点平滑连接(实验时可忽略小物块经过A点时速度大小的变化)。光电门1和光电门2固定在气垫导轨上。
(1)将质量为m的物块从圆弧上的某点静止释放,小物块的遮光片通过光电门1和光电门2的时间分别为Δt1和Δt2,当Δt1________(填“大于”“小于”或“等于”)Δt2表明气垫导轨已经调成水平。(2)用螺旋测微器测得挡光片的宽度,示数如图乙所示为________mm。
(3)将形状相同,但质量为2m的物块放在Q点,质量为m的物块由P点静止释放,若两物块的遮光片的宽度均为d,由P点下滑的物块先后两次通过光电门1的时间分别为Δt3、Δt4,Q处的物块通过光电门2的时间为Δt5,若两者碰撞过程动量守恒,则必须满足______________,若两者碰撞为弹性碰撞,则必须满足__________________。(表达式均用字母Δt3、Δt4、Δt5表示)