
一、實驗思路
1.動量守恒定律的適用條件:系統(tǒng)不受外力或者所受外力的矢量和為0。
2.實驗原理:由于發(fā)生碰撞時作用時間很短,內力遠大于外力,因此碰撞滿足動量守恒定律的條件。在一維碰撞的情況下,設兩個物體的質量分別為m1、m2,碰撞前的速度分別為v1、v2,碰撞后的速度分別為v1′、v2′,若系統(tǒng)所受合外力為零,則系統(tǒng)的動量守恒,則m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。
二、進行實驗
方案1:研究氣墊導軌上滑塊碰撞時的動量守恒
1.實驗裝置:如圖所示
實驗器材:氣墊導軌、數字計時器、天平、滑塊(兩個)、彈簧片、細繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥、擋光片等。
2.物理量的測量
(1)質量的測量:用天平測量兩滑塊的質量m1、m2。
(2)速度的測量:v=eq \f(d,Δt),式中的d為滑塊上擋光片的寬度,Δt為數字計時器顯示的滑塊上的擋光片經過光電門的時間。
(3)碰撞情景的實現:利用彈簧片、細繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥設計各種類型的碰撞,利用在滑塊上加重物的方法改變碰撞物體的質量。
3.本實驗研究以下幾種情況
(1)滑塊碰撞后分開。
(2)滑塊碰撞后粘連。
(3)靜止的兩滑塊被反向彈開。
4.實驗步驟:(以上述3中第(1)種情況為例)
(1)安裝氣墊導軌,接通電源,給導軌通氣,調節(jié)導軌水平。
(2)在滑塊上安裝好擋光片、彈性碰撞架、光電門等,測出兩滑塊的質量m1和m2。
(3)用手撥動滑塊使其在兩數字計時器之間相碰.滑塊反彈越過數字計時器之后,抓住滑塊避免反復碰撞.讀出兩滑塊經過兩數字計時器前后的4個時間。
(4)改變碰撞速度,或采用運動滑塊撞擊靜止滑塊等方式,分別讀出多組數據,記入表格。
5.數據分析
在確保擋光片寬度d一致的前提下,可將驗證動量守恒定律 m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′變?yōu)轵炞Ceq \f(m1,t1)+eq \f(m2,t2)=eq \f(m1,t1′)+eq \f(m2,t2′)。
6.注意事項
(1)氣墊導軌要調整到水平。
(2)安裝到滑塊的擋光片寬度適當小些,計算速度會更精確。
方案2:研究斜槽末端小球碰撞時的動量守恒
1.實驗裝置:如圖甲所示,讓一個質量較大的小球從斜槽上滾下來,與放在斜槽末端的另一質量較小的同樣大小的小球發(fā)生正碰,斜槽末端保持水平,之后兩小球都做平拋運動。
實驗器材:鐵架臺,斜槽軌道,兩個大小相等、質量不同的小球,鉛垂線,復寫紙,白紙,天平,刻度尺,圓規(guī),三角板等。
2.物理量的測量
(1)質量的測量:用天平測量兩小球的質量m1、m2。
(2)速度的測量:兩球碰撞前后的速度,可以利用平拋運動的知識求出。
3.實驗步驟:
(1)不放被碰小球,讓入射小球m1從斜槽上某一位置由靜止?jié)L下,記錄平拋的落點P及水平位移OP。
(2)在斜槽水平末端放上被碰小球m2,讓m1從斜槽同一位置由靜止?jié)L下,記下兩小球離開斜槽做平拋運動的落點M、N及水平位移OM、ON。
(3)為了減小誤差,需要找到不放被碰小球及放被碰小球時小球落點的平均位置。為此,需要讓入射小球從同一高度多次滾下,進行多次實驗,然后用圓規(guī)畫盡量小的圓把小球所有的落點都圈在里面,其圓心即為小球落點的平均位置。
4.數據分析
由OP=v1t,OM=v1′t,ON=v2′t,
得v1=eq \f(OP,t),v1′=eq \f(OM,t),v2′=eq \f(ON,t)。
可知,小球碰撞后的速度之比等于它們落地時飛行的水平距離之比,因此這個實驗可以不測量速度的具體數值,只需驗證m1·OP=m1·OM+m2·ON是否成立就可以驗證動量守恒定律是否成立。
5.注意事項
(1)斜槽末端的切線必須水平。
(2)入射小球每次都必須從斜槽同一高度由靜止釋放。
(3)入射球的質量m1大于被碰球的質量m2。
(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。
(5)不需要測量速度的具體數值,將速度的測量轉化為水平距離的測量。
三、誤差分析
1.系統(tǒng)誤差:主要來源于裝置本身是否符合要求。
(1)碰撞是否為一維。
(2)實驗是否滿足動量守恒的條件,如氣墊導軌是否水平,用長木板實驗時是否平衡掉摩擦力,兩球是否等大等。
2.偶然誤差:主要來源于質量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的測量。
例1 某同學利用氣墊導軌做“驗證動量守恒定律”的實驗,氣墊導軌裝置如圖所示,所用的氣墊導軌裝置由導軌、滑塊、彈射架、光電門等組成。
(1)下面是實驗的主要步驟:
①安裝好氣墊導軌,調節(jié)氣墊導軌的調節(jié)旋鈕,使導軌水平;
②向氣墊導軌通入壓縮空氣;
③接通數字計時器;
④把滑塊2靜止放在氣墊導軌的中間;
⑤滑塊1擠壓導軌左端彈射架上的橡皮繩;
⑥釋放滑塊1,滑塊1通過光電門1后與左側帶有固定彈簧(未畫出)的滑塊2碰撞,碰后滑塊2和滑塊1依次通過光電門2,兩滑塊通過光電門2后依次被制動;
⑦讀出滑塊通過光電門的擋光時間分別為:滑塊1通過光電門1的擋光時間Δt1=10.01 ms,通過光電門2的擋光時間Δt2=49.99 ms,滑塊2通過光電門2的擋光時間Δt3=8.35 ms;
⑧測出擋光板的寬度均為d=5 mm,測得滑塊1的質量為m1=300 g,滑塊2(包括彈簧)的質量為m2=200 g。
(2)數據處理與實驗結論:
①實驗中氣墊導軌的作用是:
A.________________________________________________________________________;
B.________________________________________________________________________。
②碰撞前滑塊1的速度v1為__________ m/s;碰撞后滑塊1的速度v2為__________ m/s;碰撞后滑塊2的速度v3為__________ m/s。(結果均保留兩位有效數字)
③碰撞前系統(tǒng)的總動量為m1v1=_______________________________________________。
碰撞后系統(tǒng)的總動量為m1v2+m2v3=___________________________________________。
由此可得實驗結論:_________________________________________________________。
答案 見解析
解析 (2)①A.大大減小了因滑塊和導軌之間的摩擦而引起的誤差。
B.保證兩個滑塊的碰撞是一維的。
②滑塊1碰撞之前的速度
v1=eq \f(d,Δt1)=eq \f(5×10-3,10.01×10-3) m/s≈0.50 m/s;
滑塊1碰撞之后的速度
v2=eq \f(d,Δt2)=eq \f(5×10-3,49.99×10-3) m/s≈0.10 m/s;
滑塊2碰撞之后的速度v3=eq \f(d,Δt3)=eq \f(5×10-3,8.35×10-3) m/s≈0.60 m/s;
③系統(tǒng)碰撞之前m1v1=0.15 kg·m/s,系統(tǒng)碰撞之后m1v2+m2v3=0.15 kg·m/s。
通過實驗結果,可得結論:在實驗誤差允許的范圍內,兩滑塊相互作用的過程,系統(tǒng)的動量守恒。
例2 某同學用圖甲所示裝置通過半徑相同的A、B兩球的碰撞來驗證動量守恒定律,圖中CQ是斜槽,QR為水平槽,二者平滑相接,調節(jié)實驗裝置,使小球放在QR上時恰能保持靜止,實驗時先使A球從斜槽上某一固定位置G由靜止開始滾下,落到位于水平地面上的記錄紙上,留下痕跡。重復上述操作10次,得到10個落點痕跡.然后把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方,讓A球仍從位置G由靜止開始滾下,和B球碰撞后,A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點痕跡。重復這種操作10次。
圖甲中O是水平槽末端R在記錄紙上的垂直投影點,P為未放被碰球B時A球的平均落點,M為與B球碰后A球的平均落點,N為被碰球B的平均落點。若B球落點痕跡如圖乙所示,其中米尺水平放置,且平行于OP。米尺的零刻度與O點對齊。
(1)入射球A的質量mA和被碰球B的質量mB的關系是mA________mB(選填“>”“ (2)64.7(64.2~65.2均可) (3)ABD (4)mA·OP=mA·OM+mB·ON
解析 (1)要使兩球碰后都向右運動,A球質量應大于B球質量,即mA>mB。
(2)將10個點圈在圓內的最小圓的圓心為平均落點,可由米尺測得碰撞后B球的水平射程約為64.7 cm。
(3)從同一高度做平拋運動,飛行的時間t相同,而水平方向為勻速直線運動,故水平位移x=vt,所以只要測出小球飛行的水平位移,就可以用水平位移的測量值代替平拋運動的初速度。故需測出未放B球時A球飛行的水平距離OP和碰后A、B球飛行的水平距離OM和ON,及A、B兩球的質量,故A、B、D正確。
(4)若動量守恒,需驗證的關系式為mAvA=mAvA′+mBvB′,
將vA=eq \f(OP,t),vA′=eq \f(OM,t),vB′=eq \f(ON,t)代入上式得mA·OP=mA·OM+mB·ON。
例3 利用如圖所示的裝置做“驗證動量守恒定律”的實驗,質量為mA的鋼球A用細線懸掛于O點,質量為mB的鋼球B放在離地面高度為H的小支柱N上。O點到A球球心的距離為L。使懸線在A球釋放前伸直,且線與豎直方向的夾角為α,A球釋放后擺動到最低點時恰與B球正碰,碰撞后,A球把輕質指示針OC推移到與豎直方向夾角為β處,B球落到地面上,地面上鋪一張蓋有復寫紙的白紙D。保持α角度不變,多次重復上述實驗,白紙上記錄了多個B球的落點,重力加速度為g。(懸線長遠大于小球半徑)
(1)圖中x應是B球初始位置到________的水平距離。
(2)為了驗證動量守恒,應測量的物理量有________。
(3)用測得的物理量表示(vA為A球與B球剛要相碰前A球的速度,vA′為A球與B球剛相碰后A球的速度,vB′為A球與B球剛相碰后B球的速度):
mAvA=________________;
mAvA′=________________;
mBvB′=________________。
答案 (1)B球平均落點 (2)mA、mB、α、β、H、L、x
(3)mAeq \r(2gL?1-cs α?) mAeq \r(2gL?1-cs β?) mBxeq \r(\f(g,2H))
解析 (1)小球A在碰撞前、碰撞后的兩次擺動過程,均滿足機械能守恒定律。小球B在碰撞后做平拋運動,則x應為B球的平均落點到其初始位置的水平距離。
(2)(3)碰撞前對A,由機械能守恒定律得mAgL(1-cs α)=eq \f(1,2)mAvA2,則:
mAvA=mAeq \r(2gL?1-cs α?)。
碰撞后對A,由機械能守恒定律得
mAgL(1-cs β)=eq \f(1,2)mAvA′2,
則:mAvA′=mAeq \r(2gL?1-cs β?)。
碰后B做平拋運動,
有x=vB′t,H=eq \f(1,2)gt2。
所以mBvB′=mBxeq \r(\f(g,2H))。
故要得到碰撞前后的動量,要測量的物理量有mA、mB、α、β、H、L、x。
課時對點練
1.(2022·廣東高二月考)某實驗小組采用如圖所示的實驗裝置做“驗證動量守恒定律”實驗。在水平桌面上放置氣墊導軌,導軌上安裝光電計時器1和光電計時器2,帶有遮光片的滑塊A、B的質量分別為mA、mB,兩遮光片的寬度均為d,實驗過程如下:①調節(jié)氣墊導軌成水平狀態(tài);②輕推滑塊A,測得滑塊A通過光電計時器1的遮光時間為t1;③滑塊A與滑塊B相碰后,滑塊B和滑塊A先后經過光電計時器2的遮光時間分別為t2和t3。
(1)實驗中為確保兩滑塊碰撞后滑塊A不反向運動,則mA、mB應滿足的關系為mA________(填“大于”“等于”或“小于”)mB。
(2)碰前滑塊A的速度大小為________。
(3)利用題中所給物理量的符號表示動量守恒定律成立的式子為_______________________。
答案 (1)大于 (2)eq \f(d,t1) (3)eq \f(mA,t1)=eq \f(mA,t3)+eq \f(mB,t2)
解析 (1)滑塊A和滑塊B發(fā)生碰撞,用質量大的滑塊A碰質量小的滑塊B,則不會發(fā)生反彈,所以mA>mB。
(2)滑塊經過光電計時器時做勻速運動
則碰前滑塊A的速度為vA=eq \f(d,t1)
碰后滑塊A的速度vA′=eq \f(d,t3)
碰后滑塊B的速度vB′=eq \f(d,t2)。
(3)由動量守恒定律得
mAvA=mAvA′+mBvB′
化簡可得eq \f(mA,t1)=eq \f(mA,t3)+eq \f(mB,t2)。
2.(2022·吉林十校聯(lián)考)某同學用圖甲所示裝置通過大小相同的A、B兩小球的碰撞來驗證動量守恒定律。圖中PQ是斜槽,實驗時先使A球從斜槽上某一固定位置C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10次,得到10個落點痕跡。再把B球放在水平槽末端,讓A球仍從位置C由靜止開始滾下,和B球碰撞后,A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點痕跡.重復這種操作10次。圖中O點是水平槽末端在記錄紙上的垂直投影點。
(1)安裝器材時要注意:固定在桌邊上的斜槽末端的切線要沿________方向。
(2)小球A的質量m1與小球B的質量m2應滿足的關系是m1________m2(填“>”“ (3)4∶1
解析 (1)斜槽末端的切線要沿水平方向,才能保證兩個小球離開斜槽后做平拋運動。
(2)為防止碰撞后入射小球反彈,入射小球的質量應大于被碰小球的質量,即m1>m2。
(3)根據實驗原理可得m1v0=m1v1+m2v2,
由題圖乙可知eq \x\t(OM)=15.5 cm、eq \x\t(OP′)=25.5 cm、eq \x\t(ON)=40.0 cm,又因小球平拋過程下落高度相同,下落時間相同,即可求得
m1eq \x\t(OP′)=m1eq \x\t(OM)+m2eq \x\t(ON),代入數據可得m1∶m2=4∶1。
3.(2023·吳江平望中學高二月考)如圖甲所示,在做驗證動量守恒定律實驗時,在小車A的前端粘有橡皮泥,推動小車A使之做勻速運動,然后與原來靜止在前方的小車B相碰并粘合成一體,繼續(xù)做勻速運動。在小車A后連著紙帶,電磁打點計時器的電源頻率為50 Hz,長木板右端下面墊放小木片用以補償阻力。
(1)實驗開始前________(選填“需要”或“不需要”)補償阻力,理由:______________,方法是:_____________。
(2)若打點紙帶如圖乙所示,并測得各計數點間距(已標在圖上)。A為打下的第一點,則應選________段來計算A的碰前速度,應選________段來計算A和B碰后的共同速度。(以上兩空選填“AB”“BC”“CD”或“DE”)
(3)已測得小車A的質量m1=0.40 kg,小車B的質量m2=0.20 kg,由以上測量結果可得碰前總動量為______ kg·m/s,碰后總動量為______ kg·m/s.實驗結論:__________________。(計算結果保留三位有效數字)
答案 (1)需要 因為只有補償阻力后碰撞過程中系統(tǒng)的合力為0,動量才守恒 長木板右端墊高,輕推小車A,當打出的紙帶點跡均勻 (2)BC DE (3)1.26 1.25 在誤差允許的范圍內,兩小車碰撞前后總動量守恒
解析 (1)實驗開始前需要補償阻力,因為只有補償阻力后碰撞過程中系統(tǒng)的合力為0,動量才守恒,補償阻力的方法是長木板右端墊高,輕推小車A,當打出的紙帶點跡均勻說明已補償阻力;
(2)推動小車由靜止開始運動,故小車有個加速過程,在碰撞前做勻速直線運動,即在相同的時間內通過的位移相同,故BC段為勻速運動的階段,故選BC段計算碰前的速度;
碰撞過程是一個變速運動的過程,而A和B碰后共同運動時做勻速直線運動,故在相同的時間內通過相同的位移,故應選DE段來計算碰后共同的速度;
(3)A碰前的速度
v1=eq \f(BC,t)=eq \f(0.315 0,5×0.02) m/s=3.15 m/s
碰后共同速度v2=eq \f(DE,t)=eq \f(0.208 5,5×0.02) m/s=2.085 m/s
碰前總動量p1=m1v1=0.40×3.15 kg·m/s=1.26 kg·m/s
碰后的總動量p2=(m1+m2)v2=0.60×2.085 kg·m/s≈1.25 kg·m/s
則說明在誤差允許的范圍內,兩小車碰撞前后總動量守恒。
4.(2022·遼寧六校高二期中)如圖,把兩個大小相同、質量不等的金屬球a、b用細線連接,中間夾一被壓縮了的輕彈簧,置于水平桌面上,兩球到桌邊距離相等。剪斷細線,觀察兩球的運動情況,進行必要的測量,可以探究兩球相互作用過程中動量是否守恒。
(1)本實驗必須測量的物理量是________。
A.桌面到水平地面的高度H
B.小球a、b的質量ma、mb
C.小球a、b的半徑r
D.小球a、b離開桌面后空中飛行的時間t
E.記錄紙上O1點到a球落地點A的距離eq \x\t(O1A),O2點到b球落地點B的距離eq \x\t(O2B)
(2)用測得的物理量驗證動量守恒的關系式是________(用題中所給物理量符號表示)。
(3)事實證明,空氣阻力對球的運動影響可以忽略,但本實驗中多次測量均發(fā)現質量大的球的動量略小于質量小的球的動量,造成這一結果的原因是______________________________。
答案 (1)BE (2)maeq \x\t(O1A)=mbeq \x\t(O2B) (3)摩擦力對質量大的球的沖量大
解析 (1)以水平向右為正方向,小球離開桌面后做平拋運動,由于球的半徑相等、拋出點高度相同,球在空中做平拋運動的時間t相等,若兩球動量守恒則mbvbt-mavat=0,即mbeq \x\t(O2B)-maeq \x\t(O1A)=0,實驗需要驗證的表達式為maeq \x\t(O1A)=mbeq \x\t(O2B),實驗需要測量兩小球的質量與小球做平拋運動的水平位移,故選B、E。
(2)由(1)可知,實驗需要驗證的表達式為maeq \x\t(O1A)=mbeq \x\t(O2B)。
(3)小球與彈簧脫離后在桌面上運動過程受到摩擦力的作用,小球質量m越大,小球受到的摩擦力越大,其對質量大的球的沖量大,小球離開桌面時,質量大的球的動量小于質量小的球的動量,所以造成這一結果的原因是摩擦力對質量大的球的沖量大。
5.(2023·洮南市第二中學高二月考)在“驗證動量守恒定律”實驗中,實驗裝置如圖所示,按照以下步驟進行操作:
①在平木板表面釘上白紙和復寫紙,并將該木板豎直立于緊靠槽口處,將小球a從斜槽軌道上固定點處由靜止釋放,撞到木板并在白紙上留下痕跡O;
②將木板水平向右移動一定距離并固定,再將小球a從固定點處由靜止釋放,撞到木板上得到痕跡B;
③把小球b靜止放在斜槽軌道水平段的最右端,讓小球a仍從固定點處由靜止釋放,和小球b相碰后,兩球撞在木板上得到痕跡A和C。
(1)下列措施可減小實驗誤差的是________。
A.斜槽軌道必須是光滑的
B.每次實驗均重復幾次后,再記錄平均落點
C.a球和b球的半徑和質量滿足ra=rb和mamb,C錯誤。
(2)每次a球釋放的高度h確定不變就可以,不用測量h值,A錯誤;因為小球每次打在木板上時,水平方向的位移相等,所以不需測量木板水平向右移動的距離L,B錯誤;要驗證動量守恒定律,必須測量a球和b球的質量ma、mb,C正確;需要計算小球運動的時間,則要測量O點到A、B、C三點的距離y1、y2、y3,D正確。
(3)a、b兩球碰撞后做平拋運動,由L=vt和y=eq \f(1,2)gt2
可得v=eq \f(L,\r(\f(2y,g)))
則由動量守恒定律可得mav0=mav1+mbv2
即為maeq \f(L,\r(\f(2y2,g)))=maeq \f(L,\r(\f(2y3,g)))+mbeq \f(L,\r(\f(2y1,g)))
整理得eq \f(ma,\r(y2))=eq \f(ma,\r(y3))+eq \f(mb,\r(y1))
若表達式eq \f(ma,\r(y2))=eq \f(ma,\r(y3))+eq \f(mb,\r(y1))成立,即表示碰撞中動量守恒。
6.某實驗小組利用如圖所示的實驗裝置驗證動量守恒定律。將質量為m1的球1用細線懸掛于O點,O點下方桌子的邊緣有一豎直立柱,將質量為m2的球2置于立柱上。實驗時,調節(jié)懸點O,使球1靜止時恰與立柱上的球2接觸且兩球等高。將球1拉離平衡位置,保持細線伸直,用量角器測量出細線與豎直方向的夾角為θ,由靜止釋放球1,當它擺到懸點正下方時與球2發(fā)生碰撞。碰后球1反彈,球2落到水平地面上。測量出球2到地面的高度H和球2做平拋運動的水平位移x,然后再測出有關數據,即可驗證1、2兩球碰撞時動量守恒。已知重力加速度為g,兩球均可以看成質點。
(1)要完成上述實驗,還需要測量的物理量是________。
A.球1反彈的最大偏角α
B.直角量角器的半徑R
C.懸點到球1的距離L
(2)球2碰撞后的速率的表達式v2=________;根據測量的物理量,該實驗中兩球碰撞時動量守恒的表達式為________________。(均用題干所給物理量和(1)中所測物理量表示)
答案 (1)AC
(2)xeq \r(\f(g,2H)) m1eq \r(2gL?1-cs θ?)=m2xeq \r(\f(g,2H))-m1eq \r(2gL?1-cs α?)
解析 (1)由實驗過程知,除了已經測量的兩球的質量及球2的水平、豎直位移外,要計算速度還必須知道擺長(球1到懸點的距離L)和球1反彈的最大偏角α,故A、C正確,B錯誤。
(2)碰撞后球2做平拋運動,設平拋運動時間為t,碰撞后球2的速度為v2,則球2碰后速度大小v2=eq \f(x,t)=eq \f(x,\r(\f(2H,g)))=xeq \r(\f(g,2H)),方向向左
球1擺動過程中機械能守恒,由機械能守恒定律得
eq \f(1,2)m1v02=m1gL(1-cs θ)
解得碰撞前球1的速度大小v0=eq \r(2gL?1-cs θ?),方向向左
同理可得,碰撞后球1的速度大小v1=eq \r(2gL?1-cs α?),方向向右
以向左為正方向,由動量守恒定律得
m1v0=m2v2-m1v1
整理得m1eq \r(2gL?1-cs θ?)
=m2xeq \r(\f(g,2H))-m1eq \r(2gL?1-cs α?)。
這是一份高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第一冊4 實驗:用雙縫干涉測量光的波長一課一練,共13頁。
這是一份高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第一冊5 光的衍射精品練習,共6頁。
這是一份高中人教版 (2019)4 實驗:用雙縫干涉測量光的波長精品課后測評,共6頁。
注冊成功