實(shí)驗(yàn)08 驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律1.理解動(dòng)量守恒定律成立的條件,會利用不同案例驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律.2.知道在不同實(shí)驗(yàn)案例中要測量的物理量,會進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及誤差分析.一、實(shí)驗(yàn)原理在一維碰撞中,測出相碰的兩物體的質(zhì)量m1m2和碰撞前、后物體的速度v1v2、v1v2,算出碰撞前的動(dòng)量pm1v1m2v2及碰撞后的動(dòng)量pm1v1m2v2,看碰撞前、后動(dòng)量是否相等.二、實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)過程案例一:研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒1.實(shí)驗(yàn)器材氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字計(jì)時(shí)器、天平、滑塊(兩個(gè))、重物、彈簧片、細(xì)繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥.2.實(shí)驗(yàn)過程(1)測質(zhì)量:用天平測出滑塊的質(zhì)量.(2)安裝:正確安裝好氣墊導(dǎo)軌,如圖所示.(3)實(shí)驗(yàn):接通電源,利用配套的光電計(jì)時(shí)裝置測出兩滑塊各種情況下碰撞前后的速度.(4)改變條件,重復(fù)實(shí)驗(yàn):改變滑塊的質(zhì)量;改變滑塊的初速度大小和方向.(5)驗(yàn)證:一維碰撞中的動(dòng)量守恒.3.?dāng)?shù)據(jù)處理(1)滑塊速度的測量:v,式中Δx為滑塊上擋光片的寬度(儀器說明書上給出,也可直接測量),Δt為數(shù)字計(jì)時(shí)器顯示的滑塊(擋光片)經(jīng)過光電門的時(shí)間.(2)驗(yàn)證的表達(dá)式:m1v1m2v2m1v1m2v2′.案例二:研究斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒1.實(shí)驗(yàn)器材斜槽、小球(兩個(gè))、天平、復(fù)寫紙、白紙、圓規(guī)、鉛垂線等.2.實(shí)驗(yàn)過程(1)測質(zhì)量:用天平測出兩小球的質(zhì)量,并選定質(zhì)量大的小球?yàn)槿肷湫∏颍?/span>(2)安裝:按照如圖甲所示安裝實(shí)驗(yàn)裝置.調(diào)整固定斜槽使斜槽底端水平.(3)鋪紙:白紙?jiān)谙?,?fù)寫紙?jiān)谏锨以谶m當(dāng)位置鋪放好.記下鉛垂線所指的位置O.(4)放球找點(diǎn):不放被撞小球,每次讓入射小球從斜槽上某固定高度處自由滾下,重復(fù)10次.用圓規(guī)畫盡量小的圓把所有的小球落點(diǎn)圈在里面.圓心P就是小球落點(diǎn)的平均位置.(5)碰撞找點(diǎn):把被撞小球放在斜槽末端,每次讓入射小球從斜槽同一高度(同步驟(4)中的高度)自由滾下,使它們發(fā)生碰撞,重復(fù)實(shí)驗(yàn)10次.用步驟(4)的方法,標(biāo)出碰后入射小球落點(diǎn)的平均位置M和被撞小球落點(diǎn)的平均位置N,如圖乙所示 .(6)驗(yàn)證:連接ON,測量線段OP、OM、ON的長度.將測量數(shù)據(jù)填入表中,最后代入m1·OPm1·OMm2·ON,看在誤差允許的范圍內(nèi)是否成立.(7)整理:將實(shí)驗(yàn)器材放回原處.3.?dāng)?shù)據(jù)處理驗(yàn)證的表達(dá)式:m1·OPm1·OMm2·ON.三、注意事項(xiàng)1.前提條件:碰撞的兩物體應(yīng)保證水平正碰2.案例提醒(1)若利用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行驗(yàn)證,調(diào)整氣墊導(dǎo)軌時(shí),應(yīng)確保導(dǎo)軌水平.(2)若利用平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證:斜槽末端的切線必須水平;入射小球每次都必須從斜槽同一高度由靜止釋放;選質(zhì)量較大的小球作為入射小球;實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)桌、斜槽、記錄的白紙的位置要始終保持不變.典例12021·福建·福州三中高三階段練習(xí))如圖所示,用碰撞實(shí)驗(yàn)器可以驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律,即研究兩個(gè)小球在軌道水平部分碰撞前后的動(dòng)量關(guān)系:先安裝好實(shí)驗(yàn)裝置,在地上鋪一張白紙,白紙上鋪放復(fù)寫紙,記下重垂線所指的位置O。接下來的實(shí)驗(yàn)步驟如下:步驟1:不放小球2,讓小球1從斜槽上A點(diǎn)由靜止?jié)L下,并落在地面上。重復(fù)多次,用盡可能小的圓,把小球的所有落點(diǎn)圈在里面,其圓心就是小球落點(diǎn)的平均位置;步驟2:把小球2放在斜槽前端邊緣位置B,讓小球1A點(diǎn)由靜止?jié)L下,使它們碰撞.重復(fù)多次,并使用與步驟1同樣的方法分別標(biāo)出碰撞后兩小球落點(diǎn)的平均位置;步驟3:用刻度尺分別測量三個(gè)落地點(diǎn)的平均位置M、P、NO點(diǎn)的距離,即線段OM、OPON的長度。對于上述實(shí)驗(yàn)操作,下列說法正確的是________;A.小球1每次必須在斜槽上相同的位置從靜止?jié)L下B.小球1可以在斜槽上不同的位置從靜止?jié)L下C.斜槽軌道末端必須水平D.斜槽軌道必須光滑若入射小球質(zhì)量為,半徑為;被碰小球質(zhì)量為,半徑為,則_________;A,B,CD,上述實(shí)驗(yàn)除需測量線段OM、OPON的長度外,還需要測量的物理量有_______;AA、B兩點(diǎn)間的高度差h1BB點(diǎn)離地面的高度C.小球1和小球2的質(zhì)量、m2D.小球1和小球2的半徑當(dāng)所測物理量滿足表達(dá)式______________(用所測物理量的字母表示)時(shí),即說明兩球碰撞遵守動(dòng)量守恒定律。【答案】     AC##CA     B     C     【解析】(1[1]AB.小球1每次自由滾下時(shí),需保證高度不變,以保證小球1滾下時(shí)的速度不變,故A正確,B錯(cuò)誤;C.斜槽末端必須水平,以保證小球1碰撞前速度水平,并且保證小球1、2做平拋運(yùn)動(dòng),故C正確;D.只要小球1從同一位置釋放即可,并不需要保證斜槽光滑,故D錯(cuò)誤。故選AC。2[2]在小球碰撞前后,由動(dòng)量定理可得 不考慮小球碰撞損失的機(jī)械能,由動(dòng)能定理可得 解得 為了保證碰撞前后,小球1的速度方向不變,故需,且為了保證兩小球發(fā)生正碰,故ACD錯(cuò)誤,B正確。故選B。3[3]AB.本實(shí)驗(yàn)中小球的速度由水平位移代表,故不必測量AB的高度和B離地面的高度,AB錯(cuò)誤;C.驗(yàn)證動(dòng)量定理時(shí),需要小球的質(zhì)量,C正確;D.小球的半徑保證一樣即可,無需測量兩小球之間的半徑,D錯(cuò)誤。故選C。4[4]小球下落的時(shí)間為 小球1碰撞前后的速度分別為 小球2碰撞后的速度為根據(jù)動(dòng)量守恒定律,可得 解得典例22022·福建·模擬預(yù)測)如圖甲所示的裝置叫做阿特伍德機(jī),是英國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家阿特伍德(G-Atwood1747-1807)創(chuàng)制的一種著名力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置,用來研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。某同學(xué)對該裝置加以改進(jìn)后用來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律和動(dòng)量守恒定律,如圖乙所示。(已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹?/span>g1)該同學(xué)用游標(biāo)卡尺測量遮光片的寬度如圖所示,則d=___________mm;然后將質(zhì)量均為mA含擋光片和掛鉤、B含掛鉤)的重物用繩連接后,跨放在定滑輪上,A置于桌面上處于靜止?fàn)顟B(tài),測量出擋光片中心到固定光電門中心的豎直距離h;2)為了驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律,該同學(xué)讓A在桌面上處于靜止?fàn)顟B(tài),將B從靜止位置豎直上升s后由自由下落,直到光電門記錄下?lián)豕馄瑩豕獾臅r(shí)間為B未接觸桌面),則驗(yàn)證繩繃緊過程中系統(tǒng)沿繩方向動(dòng)量守恒定律的表達(dá)式為___________;如果該同學(xué)忘記將B下方的質(zhì)量也為mC取下,完成測量后,驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的表達(dá)式為___________【答案】     6.75          【解析】(1[1]游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為2[2]設(shè)繩繃緊前B的速度為,B從靜止位置豎直上升s后由自由下落到繩繃緊前的過程中由動(dòng)能定理得 繩繃緊前動(dòng)量繩繃緊后系統(tǒng)所受合外力為0AB一起勻速運(yùn)動(dòng)繩繃緊后動(dòng)量若動(dòng)量守恒則所以要驗(yàn)證的表達(dá)式為;[3]如果該同學(xué)忘記將B下方的質(zhì)量也為mC取下,完成測量后,設(shè)繩繃緊前BC的速度為BC一起從靜止位置豎直上升s后由自由下落到繩繃緊前的過程中由動(dòng)能定理得繩繃緊前動(dòng)量繩繃緊后ABC一起做勻加速運(yùn)動(dòng)設(shè)A上升h后到達(dá)光電門時(shí)的速度為,繩繃緊后的瞬間速度為,在A上升h的過程中有繩繃緊后動(dòng)量若動(dòng)量守恒則所以要驗(yàn)證的表達(dá)式為典例32022·全國·高三專題練習(xí))利用圖示的實(shí)驗(yàn)裝置對碰撞過程進(jìn)行研究。讓質(zhì)量為的滑塊A與質(zhì)量為的靜止滑塊B在水平氣墊導(dǎo)軌上發(fā)生碰撞,碰撞時(shí)間極短,比較碰撞后AB的速度大小,進(jìn)而分析碰撞過程是否為彈性碰撞。完成下列填空:1)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平;2)測得兩滑塊的質(zhì)量分別為。要使碰撞后兩滑塊運(yùn)動(dòng)方向相反,應(yīng)選取質(zhì)量為______kg的滑塊作為A;3)調(diào)節(jié)B的位置,使得AB接觸時(shí),A的左端到左邊擋板的距離B的右端到右邊擋板的距離相等;4)使A以一定的初速度沿氣墊導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng),并與B碰撞,分別用傳感器記錄AB從碰撞時(shí)刻開始到各自撞到擋板所用的時(shí)間;5)將B放回到碰撞前的位置,改變A的初速度大小,重復(fù)步驟(4)。多次測量的結(jié)果如下表所示; 123450.490.671.011.221.390.150.210.330.400.460.310.330.330.336)表中的______(保留2位有效數(shù)字);7的平均值為______;(保留2位有效數(shù)字)8)理論研究表明,對本實(shí)驗(yàn)的碰撞過程,是否為彈性碰撞可由判斷。若兩滑塊的碰撞為彈性碰撞,則的理論表達(dá)式為______(用表示),本實(shí)驗(yàn)中其值為______(保留2位有效數(shù)字),若該值與(7)中結(jié)果間的差別在允許范圍內(nèi),則可認(rèn)為滑塊A與滑塊B在導(dǎo)軌上的碰撞為彈性碰撞。【答案】     0.304     0.31     0.32          0.34【解析】(2[1]應(yīng)該用質(zhì)量較小的滑塊碰撞質(zhì)量較大的滑塊,碰后運(yùn)動(dòng)方向相反,故選0.304kg的滑塊作為A。6[2]由于兩段位移大小相等,根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可得7[3]平均值為8[4][5]彈性碰撞時(shí)滿足動(dòng)量守恒和機(jī)械能守恒,可得聯(lián)立解得代入數(shù)據(jù)可得典例42022·全國·高三專題練習(xí))如圖甲所示,用半徑相同的兩個(gè)小球的碰撞驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。實(shí)驗(yàn)時(shí)先讓質(zhì)量為A球從斜槽上某一固定位置C由靜止釋放,A球從軌道末端水平拋出,落到水平地面的復(fù)寫紙上,在下面的白紙上留下痕跡,重復(fù)上述操作10次,得到10個(gè)落點(diǎn)痕跡。再把質(zhì)量為B球放在水平軌道末端,將A球仍從位置C由靜止釋放,A球和B球碰撞后,分別在白紙上留下各自的落點(diǎn)痕跡,重復(fù)操作10次,M、PN為三個(gè)落點(diǎn)的平均位置,O點(diǎn)是水平軌道末端在記錄紙上的豎直投影點(diǎn),如圖乙所示。1)下面是本實(shí)驗(yàn)部分測量儀器或工具,需要的是___________。A.秒表       B.交流電流表       C.刻度尺       D.彈簧秤2)為了完成本實(shí)驗(yàn),下列必須要求的實(shí)驗(yàn)條件是,入射小球A的質(zhì)量___________被碰小球B的質(zhì)量,入射小球A的半徑_______被碰小球B的半徑。(均選填大于小于等于3)實(shí)驗(yàn)中,,,在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi),若滿足關(guān)系式_______(用題中涉及的物理量的符號表示),則可以認(rèn)為兩球碰撞前后的總動(dòng)量守恒。4)某實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)如圖丙所示的裝置來研究碰撞前后動(dòng)能的變化,把白紙和復(fù)寫紙貼在豎直墻上,使小球從斜槽軌道滾下打在正對的豎直墻上,記錄小球的落點(diǎn)。仍然使用A球和B球進(jìn)行實(shí)驗(yàn),重復(fù)驗(yàn)證動(dòng)量守恒時(shí)的其他操作步驟。、、為豎直記錄紙上三個(gè)落點(diǎn)的平均位置,小球靜止于水平軌道末端時(shí)球心在豎直記錄紙上的水平投影點(diǎn)為,測得、、,在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi),若滿足關(guān)系式________(用題中涉及的物理量的符號表示),則可認(rèn)為碰撞前后兩球的總動(dòng)能相等。【答案】     C     大于     等于          【解析】(1[1]因?yàn)樾∏螂x開水平軌道后做平拋運(yùn)動(dòng),則小球在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等,小球的水平位移與初速度成正比,所以本實(shí)驗(yàn)可以用水平位移代替小球初速度,故需要測出小球落地的水平位移,即需要用到的儀器是刻度尺。故選C。2[2][3]為了防止入射小球碰后被反彈,應(yīng)讓入射小球A的質(zhì)量大于被碰小球B的質(zhì)量,且要使兩者發(fā)生對心碰撞,應(yīng)使入射小球A的半徑等于被碰小球B的半徑;3[4]想要驗(yàn)證兩球碰撞前后的總動(dòng)量守恒,需驗(yàn)證其中整理得,在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi),若滿足關(guān)系式則可以認(rèn)為兩球碰撞前后的總動(dòng)量守恒。4[5]因?yàn)樾∏蜇Q直方向做自由落體運(yùn)動(dòng),滿足水平方向滿足所以要驗(yàn)證碰撞前后兩球的總動(dòng)能相等,需驗(yàn)證聯(lián)立得化簡得即在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi),若滿足關(guān)系式時(shí),則可認(rèn)為碰撞前后兩球的總動(dòng)能相等。典例52022·遼寧·大連二十四中模擬預(yù)測)某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖(a)所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。實(shí)驗(yàn)的主要步驟如下:用游標(biāo)卡尺測量小球A、B的直徑d,其示數(shù)如圖(b)所示,用天平測量小球A、B的質(zhì)量分別為;用兩條細(xì)線分別將球A、B懸掛于同一水平高度,且自然下垂時(shí)兩球恰好相切,球心位于同一水平線上;將球A向左拉起使其懸線與豎直方向的夾角為時(shí)由靜止釋放,與球B碰撞后,測得球A向左擺到最高點(diǎn)時(shí)其懸線與豎直方向的夾角為,球B向右擺到最高點(diǎn)時(shí)其懸線與豎直方向的夾角為。回答下列問題:1)小球的直徑________;2)若兩球碰撞前后的動(dòng)量守恒,則其表達(dá)式可表示為________(用①③中測量的量表示);3)完成實(shí)驗(yàn)后,實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)一步探究。用質(zhì)量相同的A、B兩球重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟②③,發(fā)現(xiàn)A球與B球碰撞后,A球靜止,B球向右擺到最高點(diǎn)時(shí)其懸線與豎直方向的夾角幾乎等于,由此他們判斷AB兩球的碰撞是________(填彈性碰撞”“非彈性碰撞”“完全非彈性碰撞)。【答案】     2.20          彈性碰撞【解析】(1[1]小球的直徑為2.20cm2[2]假設(shè)細(xì)繩長度為l,碰撞后AB ,解得碰撞前對A解得若兩球碰撞前后的動(dòng)量守恒,則3[3] 碰撞后B球向右擺到最高點(diǎn)時(shí)其懸線與豎直方向的夾角幾乎等于,可知碰撞中能量幾乎沒有損失,所以碰撞為彈性碰撞。典例62022·湖北·應(yīng)城市第一高級中學(xué)模擬預(yù)測)某同學(xué)用硬幣碰撞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律,器材如下:玻璃臺面,硬幣(壹元1枚,伍角1枚,兩枚硬幣與玻璃板的動(dòng)摩擦因數(shù)視為相同),硬幣發(fā)射架,天平,游標(biāo)卡尺,直尺等。硬幣發(fā)射架的結(jié)構(gòu)如圖(a)所示,由底板,支架和打擊桿組成。底板上開有一槽,槽寬略大于壹元硬幣的直徑。1)用游標(biāo)卡尺測量硬幣的直徑,其中壹元硬幣的直徑為,由圖(b)可讀出,伍角硬幣的直徑為________。2)讓硬幣以初速度在水平玻璃板上滑動(dòng),在摩擦力的作用下,經(jīng)過距離l后停止下來,則可以判斷初速度與距離l的關(guān)系滿足_______;A  B  C3)把硬幣發(fā)射架放在玻璃臺板上,將壹元硬幣放入發(fā)射槽口,將打擊桿偏離平衡位置靠在支架的定位橫桿上,釋放打擊桿將硬幣發(fā)射出去,重復(fù)多次測出壹元硬幣中心從槽口外O點(diǎn)到靜止點(diǎn)的距離平均值,如圖(c)所示;再把一枚伍角硬幣放在O點(diǎn)前,使其圓心在發(fā)射線上,且,(R、r分別為大小硬幣的半徑),然后重新發(fā)射壹元硬幣,碰撞后分別測出兩硬幣前進(jìn)的距離,如圖(b)所示,已知壹元硬幣的質(zhì)量,5角硬幣的質(zhì)量,若滿足下式:____________,則可以驗(yàn)證碰撞過程動(dòng)量守恒。【答案】     2.050     A     【解析】(1[1]由圖可知,伍角硬幣的直徑為2[2]硬幣在玻璃板上均做加速度相同的勻減速運(yùn)動(dòng),根據(jù)速度和位移關(guān)系可知則有故初速度與距離l的關(guān)系滿足為BC錯(cuò)誤,A正確。故選A。3[3]硬幣在玻璃板上均做加速度相同的勻減速運(yùn)動(dòng),根據(jù)速度和位移關(guān)系可知則有根據(jù)動(dòng)量守恒,可得聯(lián)立可得則可以驗(yàn)證碰撞過程動(dòng)量守恒。   
 

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