高中物理教科版 (2019)選擇性必修 第一冊第一章 動量與動量守恒定律4 實驗：驗證動量守恒定律教學演示課件ppt

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1.通過分析教材提供的實驗方案,學習設計實驗的方法。(科學探究)2.能夠通過正確使用實驗裝置來獲得數(shù)據(jù),從而驗證動量守恒定律。(科學探究)3.通過實驗培養(yǎng)實事求是的科學態(tài)度。(科學態(tài)度與責任)
基礎落實·必備知識全過關
重難探究·能力素養(yǎng)全提升
學以致用·隨堂檢測全達標
一、實驗操作(1)取兩個大小相同的小球,測出它們的質量m1、m2。(2)按圖甲所示安裝好實驗裝置并使斜槽末端　　　　　。?甲(3)在地上鋪一張白紙,在白紙上鋪放復寫紙。
(4)在白紙上記下重垂線所指的位置O(如圖乙所示),它表示兩小球做　　　　運動的初始位置的水平投影。?
(5)先不放被碰小球,讓入射小球從斜槽上某一高度處靜止?jié)L下,重復10次,用圓規(guī)畫一個盡可能小的圓,把所有的小球落點圈在里面,　　　　就是入射小球發(fā)生直接平拋的落地點P(如圖丙所示)。?丙(6)把被碰小球放在斜槽的末端,讓入射小球從　　　高度由靜止?jié)L下,使它們發(fā)生正碰,重復10次,仿照上一步驟得到入射小球落地點的平均位置M和被碰小球落地點的平均位置N(如圖丙所示)。?
(7)過O和N在紙上作一直線。(8)用刻度尺量出線段OM、OP、ON的長度。(9)把兩小球的質量和相應的數(shù)值代入　　　　　　　　　　　　,看看是否成立。?
m1·OP=m1·OM+m2·ON
二、實驗分析1.系統(tǒng)誤差(1)碰撞不是一維碰撞,是產(chǎn)生誤差的一個原因。設計實驗方案時應保證碰撞為一維碰撞。(2)碰撞中受其他力(例如摩擦力)的影響是帶來誤差的又一個原因。實驗中要合理控制實驗條件,避免除碰撞時相互作用力外的其他力影響物體速度。2.偶然誤差測量和讀數(shù)的準確性帶來的誤差。實驗中應規(guī)范測量和讀數(shù),同時增加測量次數(shù),取平均值,盡量減少偶然誤差的影響。
三、注意事項(1)斜槽末端的切線必須水平; 保證小球做平拋運動(2)入射小球每次都必須從斜槽同一高度由靜止釋放;(3)選質量較大的小球作為入射小球;　 確保入射小球不會反彈(4)實驗過程中實驗桌、斜槽、記錄的白紙的位置要始終保持不變。易錯辨析(1)用斜槽滾球驗證動量守恒的實驗可以不用測量小球的質量。(　　)(2)用斜槽滾球驗證動量守恒的實驗中的研究對象是相互碰撞的兩個物體組成的系統(tǒng)。(　　)(3)用斜槽滾球驗證動量守恒的實驗中,入射小球的質量可以比被碰小球的質量小。(　　)
探究點一　實驗原理與操作、數(shù)據(jù)處理
【例1】 某同學用如圖所示的裝置做驗證動量守恒定律實驗。先讓M球從斜槽軌道上某固定點由靜止開始滾下,在水平地面上的記錄紙上留下壓痕,重復10次;再把同樣大小的N球放在斜槽軌道水平段的最右端靜止,讓M球仍從原固定點由靜止開始滾下,和N球相碰后兩球分別落在記錄紙的不同位置處,重復10次。最終A、B、C確定為三個落點的平均位置,已知兩小球的質量mM>mN。
(1)本實驗必須測量的物理量有以下各項中的　　　　。(填選項前的編號)A.斜槽軌道末端到水平地面的高度HB.M、N兩球的質量C.M、N兩球在離開斜槽軌道末端后平拋飛行的時間D.記錄紙上O點到A、B、C各點的距離OA、OB、OCE.M球的固定釋放點到斜槽軌道水平部分間的高度差h(2)按照本實驗方法,驗證動量守恒定律的表達式是　　　　　　　　　　。(用題中所給物理量的符號表示)?(3)實驗測得,OA=15.7 cm,OB=25.2 cm,OC=40.6 cm,已知本實驗中的數(shù)據(jù)驗證了動量守恒定律,則M、N兩球的質量mM與mN之比 =　　　　　。(計算結果保留2位有效數(shù)字)?
答案 (1)BD(2)mM·OB=mM·OA+mN·OC(3)4.3
得mM·OB=mM·OA+mN·OC,因此斜槽軌道末端到水平地面的高度H、飛行時間不需要測量,M、N兩球的質量需要測量,OA、OB、OC的距離需要測量,A、C錯誤,B、D正確;因為每次M球都是從固定釋放點釋放,因此不需要測量固定釋放點到斜槽軌道水平部分間的高度差h,E錯誤。
對點演練1用如圖所示的“碰撞實驗器”可以驗證動量守恒定律,即研究兩個體積相同的小球在水平部分碰撞前后的動量關系。
(1)實驗中,直接測定小球碰撞前后的速度是不容易的,但是我們僅用一把刻度尺就能夠間接地解決這個問題,那么需要測量的物理量是　　　　。(填選項前的編號)?A.小球開始釋放高度hB.小球拋出點距地面的高度HC.小球做平拋運動的射程x
(2)圖中O點是小球拋出點在地面上的垂直投影,實驗時,先讓入射小球(質量為m1)多次從傾斜軌道上S點由靜止釋放,找到其平均落地點的位置P,測量射程x1;然后把被碰小球(質量為m2)靜置于軌道的水平部分最右端,再將入射小球從S點由靜止釋放,與被碰小球相碰,并重復多次,得到入射小球和被碰小球的平均落點分別為M、N,測得入射小球和被碰小球的射程分別為x2、x3。兩小球質量滿足的關系應為m1　　　　(選填“大于”“小于”或“等于”)m2。?(3)若實驗結果為　　　　　　　　　　[用(2)中測量的物理量表示],則可以驗證兩小球碰撞前后系統(tǒng)動量守恒。?
答案 (1)C(2)大于(3)m1x1=m1x2+m2x3解析 (1)小球從同一位置平拋,其落地時間相等,只需要測出小球在水平方向運動的距離,即平拋運動的射程來表示碰撞前的速度即可。故選C。(2)實驗中為了防止入射小球被彈回,入射小球的質量必須大于被碰小球的質量,即m1大于m2。
探究點二　實驗的改進與創(chuàng)新
【例2】 如圖所示,在水平桌面的左端固定一個圓弧槽滑道,滑道的末端與水平桌面相切。桌面的右端附近固定一個光電門。直徑為d、質量為m1的小球1從圓弧槽上某處由靜止釋放,下滑到水平桌面向右運動通過光電門后與靜止在桌面右邊緣的質量為m2的小球2發(fā)生正碰,碰后小球1向左彈回,小球2離開桌面做平拋運動。測出小球1連續(xù)兩次通過光電門的時間分別為t1、t2(光電門與球心等高),桌面離水平地面高度為h,小球2碰后做平拋運動的水平距離為x,重力加速度為g。
(1)若兩小球的碰撞為彈性碰撞,則兩小球的質量大小關系應滿足m2　　　　(選填“”或“=”)m1。?(2)改變小球1在圓弧槽上靜止釋放的位置,重復實驗,實驗中測出多組t1、t2與x的數(shù)據(jù)。若要驗證兩小球在碰撞過程中動量守恒,則需要滿足的關系式為　　　　　　　　　。(用題中所給物理量的符號表示)?
解析 (1)設小球1碰撞前后的速度分別為v1、v1',小球2碰撞后的速度為v2',取水平向右為正方向,兩小球碰撞為正碰撞且無能量損失,碰撞前后的動量
對點演練2如圖甲所示,沖擊擺是一個用細線懸掛著的擺塊,彈丸擊中擺塊時陷入擺塊內,使擺塊擺至某一高度。利用這種裝置可以測出彈丸的發(fā)射速度。
實驗步驟如下:①用天平測出彈丸的質量m和擺塊的質量M;②將實驗裝置水平放在桌子上,調節(jié)擺繩的長度,使彈丸恰好能射入擺塊內,并使擺塊擺動平穩(wěn),同時用刻度尺測出擺長;③讓擺塊靜止在平衡位置,扳動彈簧槍的扳機,把彈丸射入擺塊內,擺塊和彈丸推動指針一起擺動,記下指針的最大偏角;④多次重復步驟③,計算指針最大偏角的平均值;
⑤換不同擋位測量,并將結果填入下表。
完成下列填空:(1)現(xiàn)測得高速擋指針平均最大偏角如圖乙所示,請將表中數(shù)據(jù)補充完整:θ=　　　　。?(2)用上述測得的物理量符號表示發(fā)射彈丸的速度v=　　　　。(已知重力加速度為g)?(3)為減小實驗誤差,每次實驗前,并不是將指針置于豎直方向的零刻度處,而是需要試射并記下各擋對應的最大指針偏角。每次正式射擊前,應預置指針,使其偏角略小于該擋的最大偏角。請寫出這樣做的一個理由:? 　。?
解析 (1)分度值為1°,故讀數(shù)為22.5(22.3~22.7均正確)。(2)彈丸射入擺塊內,系統(tǒng)動量守恒,有mv=(m+M)v'擺塊向上擺動,由機械能守恒定律有
(3)較大的速度碰撞指針,會損失較多的機械能(其他理由,如擺塊在推動指針偏轉時要克服摩擦力做功、指針擺動較長的距離損失的機械能較多等,只要合理即可)。
1.某同學用如圖甲所示的裝置,通過半徑相同的兩球碰撞來驗證動量守恒定律,圖甲中AB是斜槽,BC是水平槽,斜槽與水平槽之間平滑連接。
實驗時先使小球1從斜槽上某一固定位置由靜止開始滾下,落到位于水平地面的記錄紙上,留下痕跡,重復上述操作多次;再把小球2放在水平槽末端的位置,小球1仍從原位置由靜止開始滾下,與小球2碰撞后,兩小球分別在記錄紙上留下各自的落點痕跡,重復上述操作多次。在記錄紙上確定M、N、P為三個落點的平均位置。實驗中測出小球1的質量為m1,小球2的質量為m2,M、N、P三點到O點的距離分別為OM、ON、OP,其中O點為水平槽末端在記錄紙上的豎直投影點。
(1)本實驗必須滿足的條件是　　　　;(填選項前的編號)?A.兩小球質量必須相等B.斜槽軌道必須是光滑的C.軌道末端必須是水平的(2)某次實驗中P點位置的多次落點痕跡如圖乙所示,刻度尺的零點與O點對齊,則OP=　　　　 cm;?(3)若實驗結果滿足　　　　　　　　　,就可以驗證碰撞過程中動量守恒;(用題中所給的物理量符號表示)?(4)實驗中通過測量小球做平拋運動的　　　　　　　(選填“水平位移”或“豎直位移”),可間接得到小球碰撞前后的速度關系,這樣做的依據(jù)是　?　。
答案 (1)C(2)44.79(44.76~44.82范圍內均可)(3)m1·ON=m1·OM+m2·OP(4)水平位移　小球下落高度相同,做平拋運動的時間相同,碰撞前后的速度正比于水平位移解析 (1)為了使小球1碰撞后不反彈,且速度不變?yōu)榱?應滿足m1>m2,故A不符合題意;實驗中要求小球1每次運動至斜槽末端時的速度大小相同,所以需要每次將小球1從斜槽軌道上同一位置由靜止開始滾下,而斜槽軌道是否光滑對上述要求無影響,故B不符合題意;為了使兩小球離開斜槽軌道末端后能夠做平拋運動,軌道末端必須是水平的,故C符合題意。故選C。
(2)如圖所示,作一盡可能小的圓將所有落點痕跡圍住,圓心所在位置即為落點的平均位置,所以OP=44.79 cm。
(3)(4)設小球1與小球2碰撞前瞬間的速度為v1,碰后瞬間二者的速度分別為v1'和v2',根據(jù)動量守恒定律和機械能守恒定律有m1v1=m1v1'+m2v2'
可知N是未放小球2時小球1落點的平均位置,M、P分別是小球1和小球2碰撞后二者各自落點的平均位置。因為小球下落高度相同,做平拋運動的時間相同,則碰撞前后的速度正比于水平位移,所以實驗中通過僅測量小球做平拋運動的水平位移可間接得到小球碰撞前后的速度關系,即
2.若通過實驗已驗證碰撞前、后系統(tǒng)的動量守恒,某同學再進行以下實驗。某次實驗時B滑塊靜止,A滑塊勻速向B滑塊運動并發(fā)生碰撞,利用頻閃照相的方法連續(xù)4次拍攝得到的閃光照片如圖所示。已知相鄰兩次閃光的時間間隔為T,在這4次閃光的過程中,A、B兩滑塊均在0~80 cm范圍內,且第1次閃光時,滑塊A恰好位于x=10 cm處。若A、B兩滑塊的碰撞時間及閃光持續(xù)的時間極短,均可忽略不計,則A、B兩滑塊的質量比mA∶mB=　　　　。