
一、實驗原理與方法
在一維碰撞中,測出相碰的兩物體的質(zhì)量m1、m2和碰撞前、后物體的速度v1、v2、v1′、v2′,算出碰撞前的動量p=m1v1+m2v2及碰撞后的動量p′=m1v1′+m2v2′,看碰撞前、后動量是否相等。
二、實驗器材
方案一:利用氣墊導(dǎo)軌完成一維碰撞實驗
氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字計時器、天平、滑塊(兩個)、重物、彈簧片、細(xì)繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥。
方案二:利用斜槽滾球完成一維碰撞實驗
斜槽、小球(兩個)、天平、復(fù)寫紙、白紙等。
三、實驗過程
方案一:利用氣墊導(dǎo)軌完成一維碰撞實驗
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.實驗:接通電源,利用配套的數(shù)字計時裝置測出兩滑塊各種情況下碰撞前后的速度(①改變滑塊的質(zhì)量;②改變滑塊的初速度大小和方向)。
4.驗證:一維碰撞中的動量守恒。
方案二:利用斜槽滾球完成一維碰撞實驗
1.測質(zhì)量:用天平測出兩小球的質(zhì)量,并選定質(zhì)量大的小球為入射小球。
2.安裝:按照如圖甲所示安裝實驗裝置。調(diào)整固定斜槽使斜槽底端水平。
甲 乙
3.鋪紙:白紙在下,復(fù)寫紙在上且在適當(dāng)位置鋪放好。記下鉛垂線所指的位置O。
4.放球找點: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圈在里面。圓心P就是小球落點的平均位置。
5.碰撞找點: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)實驗10次。用步驟4的方法,標(biāo)出碰后入射小球落點的平均位置M和被撞小球落點的平均位置N。如圖乙所示。
6.驗證: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m1OP=m1OM+m2ON,看在誤差允許的范圍內(nèi)是否成立。
7.整理:將實驗器材放回原處。
四、數(shù)據(jù)處理
方案一:利用氣墊導(dǎo)軌完成一維碰撞實驗
1.滑塊速度的測量:v=eq \f(Δx,Δt),式中Δx為滑塊(擋光片)的寬度(儀器說明書上給出,也可直接測量),Δt為數(shù)字計時器顯示的滑塊(擋光片)經(jīng)過光電門的時間。
2.驗證的表達(dá)式:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。
方案二:利用斜槽滾球完成一維碰撞實驗
驗證的表達(dá)式:m1eq \(OP,\s\up6(-))=m1eq \(OM,\s\up6(-))+m2eq \(ON,\s\up6(-))。
五、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(dǎo)軌是否水平,兩球是否等大。
2.偶然誤差:主要來源于質(zhì)量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的測量。
六、注意事項
1.前提條件:碰撞的兩物體應(yīng)保證“水平”和“正碰”。
2.方案提醒:
(1)若利用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行驗證,調(diào)整氣墊導(dǎo)軌時,應(yīng)注意利用水平儀確保導(dǎo)軌水平。
(2)若利用平拋運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行驗證:
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選質(zhì)量較大的小球作為入射小球;
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。
3.探究結(jié)論:尋找的不變量必須在各種碰撞情況下都不變。
類型一 實驗原理與操作
【典例1】 某同學(xué)設(shè)計了如圖甲所示的裝置,通過半徑相同的A、B兩球的碰撞來研究碰撞過程中的動量守恒,圖中PQ是斜槽,QR為水平槽,A球的質(zhì)量大于B球的質(zhì)量,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,落在位于水平地面上的記錄紙上,留下痕跡,重復(fù)上述操作10次,得到10個落點痕跡,再把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(fù)這種操作10次。圖中O點是水平槽末端R在記錄紙上的垂直投影點,B球落點痕跡如圖乙所示,其中米尺水平放置,且平行于G、R、O所在的平面,米尺的零點與O點對齊。
甲 乙
(1)碰撞后B球的水平射程是________cm。
(2)在以下的選項中,本次實驗必須進(jìn)行的測量是________。
A.水平槽上未放B球時,A球落點位置到O點的距離
B.A球與B球碰撞后,A球落點位置到O點的距離
C.A、B兩球的質(zhì)量
D.G點相對于水平槽面的高度
(3)若本實驗中測量出未放B球時A球落點位置到O點的距離為x,碰撞后A、B兩球落點位置到O點的距離分別為xA′、xB′,A、B兩球的質(zhì)量分別為mA、mB,則通過式子________即可驗證A、B兩球碰撞中的動量守恒。
[解析] (1)由于偶然因素的存在,重復(fù)操作時小球的落點不可能完全重合(如題圖乙所示),處理的辦法是用一個盡可能小的圓將“所有落點位置”包括在內(nèi)(其中誤差較大的位置可略去),此圓的圓心即可看作小球落點的平均位置,碰撞后B球的水平射程等于圓心到O點的距離,由圖乙可得此射程約為64.7 cm。
(2)由于A、B離開水平槽末端后均做平拋運(yùn)動,平拋高度相同,運(yùn)動時間相等,因此可以用平拋運(yùn)動的水平位移表示小球做平拋運(yùn)動的初速度,沒有必要測量G點相對于水平槽面的高度,故A、B均正確,D錯誤;要驗證碰撞前后的動量守恒,必須測量A、B兩球的質(zhì)量,C正確。
(3)未放B球時A球做平拋運(yùn)動的水平位移為xA,碰撞后A、B做平拋運(yùn)動的水平位移分別為xA′、xB′,由于兩球做平拋運(yùn)動的時間相等,因此通過式子mAxA=mAxA′+mBxB′即可驗證A、B兩球碰撞中的動量守恒。
[答案] (1)64.7(64.2~65.2均可) (2)ABC
(3)mAxA=mAxA′+mBxB′
類型二 數(shù)據(jù)處理和誤差分析
【典例2】 現(xiàn)利用如圖所示的裝置驗證動量守恒定律。在圖中,氣墊導(dǎo)軌上有A、B兩個滑塊,滑塊A右側(cè)帶有一彈簧片,左側(cè)與通過打點計時器(圖中未畫出)的紙帶相連;滑塊B左側(cè)也帶有一彈簧片,上面固定一遮光片,光電計時器(未完全畫出)可以記錄遮光片通過光電門的時間。實驗測得滑塊A的質(zhì)量m1=0.310 kg,滑塊B的質(zhì)量m2=0.108 kg,遮光片的寬度d=1.00 cm;打點計時器所用交變電流的頻率f=50.0 Hz。將光電門固定在滑塊B的右側(cè),啟動打點計時器,給滑塊A一向右的初速度,使它與B相碰。碰后光電計時器顯示的時間為ΔtB=3.500 ms,碰撞前后打出的紙帶如圖所示。
若實驗允許的相對誤差絕對值eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(碰撞前后總mv之差,碰前總mv)))×100%))最大為5%,本實驗是否在誤差范圍內(nèi)驗證了動量守恒定律?寫出運(yùn)算過程。
[解析] 按定義,滑塊A運(yùn)動的瞬時速度大小v=eq \f(Δs,Δt)①
式中Δs為滑塊A在很短時間Δt內(nèi)走過的路程
設(shè)紙帶上打出相鄰兩點的時間間隔為ΔtA,則
ΔtA=eq \f(1,f)=0.02 s②
ΔtA可視為很短
設(shè)滑塊A在碰撞前、后瞬時速度大小分別為v0、v1。將②式和圖給實驗數(shù)據(jù)代入①式得
v0≈2.00 m/s③
v1≈0.97 m/s④
設(shè)滑塊B在碰撞后的速度大小為v2,由①式有
v2=eq \f(d,ΔtB)⑤
代入題給實驗數(shù)據(jù)得v2≈2.86 m/s⑥
設(shè)兩滑塊在碰撞前后的總動量分別為p和p′,則
p=m1v0⑦
p′=m1v1+m2v2⑧
兩滑塊在碰撞前后總動量相對誤差的絕對值為
δp=eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(p-p′,p)))×100%⑨
聯(lián)立③④⑥⑦⑧⑨式并代入相關(guān)數(shù)據(jù),得
δp≈1.7%<5%
因此,本實驗在誤差允許的范圍內(nèi)驗證了動量守恒定律。
[答案] 見解析
1.本實驗碰撞前、后速度大小的測量采用極限法,v=eq \f(Δx,Δt)=eq \f(d,Δt),其中d為擋光板的寬度。
2.注意速度的矢量性:規(guī)定一個正方向,碰撞前后滑塊速度的方向跟正方向相同即為正值,跟正方向相反即為負(fù)值,比較m1v1+m2v2與m1v1′+m2v2′是否相等,應(yīng)該把速度的正負(fù)號代入計算。
3.造成實驗誤差的主要原因是存在摩擦力。利用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行實驗,調(diào)節(jié)時確保導(dǎo)軌水平。
類型三 創(chuàng)新實驗設(shè)計
【典例3】 如圖所示的裝置是“沖擊擺”,擺錘的質(zhì)量很大,子彈以初速度v0從水平方向射入擺中并留在其中,隨擺錘一起擺動。
(1)子彈射入擺錘后,與擺錘一起從最低位置擺至最高位置的過程中,________守恒。要得到子彈和擺錘一起運(yùn)動的初速度v,還需要測量的物理量有________。
A.子彈的質(zhì)量m
B.?dāng)[錘的質(zhì)量M
C.沖擊擺的擺長l
D.?dāng)[錘擺動時擺線的最大擺角θ
(2)用問題(1)中測量的物理量得出子彈和擺錘一起運(yùn)動的初速度v=________。
(3)通過表達(dá)式________,即可驗證子彈與擺錘作用過程中滿足動量守恒定律。(用已知量和測量量的符號m、M、v、v0表示)
[解析] (1)(2)子彈射入擺錘后,與擺錘一起從最低位置擺至最高位置的過程中,機(jī)械能守恒。設(shè)在最低位置時,子彈和擺錘的共同速度為v,則由機(jī)械能守恒定律可得eq \f(1,2)(m+M)v2=(m+M)g(l-lcs θ),得v=eq \r(2gl(1-cs θ))。要得到子彈和擺錘一起運(yùn)動的初速度v,還需要測量的物理量有沖擊擺的擺長l,擺錘擺動時擺線的最大擺角θ,故C、D正確。
(3)射入擺錘前子彈速度為v0,動量為mv0;子彈和擺錘一起運(yùn)動的瞬間速度為v,動量為(m+M)v,該過程中mv0=(m+M)v。
[答案] (1)機(jī)械能 CD (2)eq \r(2gl(1-cs θ))
(3)mv0=(m+M)v
1.如圖(a)所示,在水平光滑軌道上停著甲、乙兩輛實驗小車,甲車上系有一穿過打點計時器的紙帶,當(dāng)甲車獲得水平向右的速度時,隨即啟動打點計時器,甲車運(yùn)動一段距離后,與靜止的乙車發(fā)生正碰并粘在一起運(yùn)動,紙帶記錄下碰撞前甲車和碰撞后兩車的運(yùn)動情況,如圖(b)所示,電源頻率為50 Hz,則碰撞前甲車速度大小為____m/s,碰撞后的共同速度大小為________m/s。
(a)
(b)
[解析] 碰撞前Δx=1.2 cm,碰撞后Δx′=0.8 cm,T=0.02 s,則v甲=eq \f(Δx,T)=0.6 m/s,碰撞后v′=eq \f(Δx′,T)=0.4 m/s。
[答案] 0.6 0.4
2.氣墊導(dǎo)軌工作時,可忽略滑塊與導(dǎo)軌表面間的阻力影響?,F(xiàn)借助其驗證動量守恒定律,如圖1所示,在水平氣墊導(dǎo)軌上放置質(zhì)量均為m的A、B(圖中未標(biāo)出)兩滑塊,左側(cè)滑塊的左端、右側(cè)滑塊的右端分別與一條穿過打點計時器的紙帶相連,打點計時器(圖中未畫出)所用電源的頻率為f。氣墊導(dǎo)軌正常工作后,接通兩個打點計時器的電源,待打點穩(wěn)定后讓兩滑塊以大小不同的速度相向運(yùn)動,兩滑塊相碰后粘在一起繼續(xù)運(yùn)動。如圖2所示的甲和乙為某次實驗打出的、分別與兩個滑塊相連的兩條紙帶,在紙帶上以同間距的6個連續(xù)打點為一段選取數(shù)據(jù),用刻度尺分別測出其長度為s1、s2和s3。
圖1
甲
乙
圖2
(1)若碰前滑塊A的速度大于滑塊B的速度,則滑塊________(選填“A”或“B”)是與紙帶甲的______(選填“左”或“右”)端相連的。
(2)碰撞前A、B兩滑塊的動量大小分別為____________、________,實驗需要驗證是否成立的表達(dá)式為________(用題目所給的已知量表示)。
[解析] (1)因碰前A的速度大于B的速度,A、B的速度方向相反,且碰后速度相同,故圖中s1和s3是兩滑塊相碰前打出的紙帶,s2是相碰后打出的紙帶,所以滑塊A應(yīng)與甲紙帶的左端相連。
(2)碰撞前兩滑塊的速度分別為v1=eq \f(s1,t)=eq \f(s1,5T)=0.2s1f,v2=eq \f(s3,t)=0.2s3f,碰撞后兩滑塊的共同速度v=eq \f(s2,t)=0.2s2f,所以碰前兩滑塊動量大小分別為p1=mv1=0.2mfs1,p2=mv2=0.2mfs3,總動量為p=p1-p2=0.2mf(s1-s3),碰后總動量為p′=2mv=0.4mfs2,要驗證動量守恒定律,即驗證0.2mf(s1-s3)=0.4mfs2是否成立,化簡得s1-s3=2s2。
[答案] (1)A 左 (2)0.2mfs1 0.2mfs3 s1-s3=2s2
3.在實驗室里為了驗證動量守恒定律,一般采用如圖甲、乙兩種裝置。
甲 乙
(1)若入射小球質(zhì)量為m1,半徑為r1;被碰小球質(zhì)量為m2,半徑為r2,則要求________。
A.m1>m2 r1>r2B.m1>m2 r1<r2
C.m1>m2 r1=r2D.m1<m2 r1=r2
(2)設(shè)入射小球的質(zhì)量為m1,被碰小球的質(zhì)量為m2,則在用甲裝置實驗時,驗證碰撞中動量守恒的公式為____________。(用裝置圖中的字母表示)
(3)若采用乙裝置進(jìn)行實驗,以下所提供的測量工具中必須有的是________。
A.毫米刻度尺B.游標(biāo)卡尺
C.天平D.彈簧秤
E.秒表
(4)在實驗裝置乙中,若小球和斜槽軌道非常光滑,則可以利用一個小球驗證小球在斜槽上,下滑過程中的機(jī)械能守恒。這時需要測量的物理量有:小球靜止釋放的初位置到斜槽末端的高度差h1,小球從斜槽末端水平飛出后做平拋運(yùn)動到地面的水平位移x、豎直下落高度h2。則所需驗證的關(guān)系式為________。(不計空氣阻力,用題中的字母符號表示)
[解析] (1)為了防止入射小球碰后發(fā)生反彈,應(yīng)保證m1>m2;為了使兩小球發(fā)生正碰,兩小球的半徑應(yīng)相同,即r1=r2。 故C正確。
(2)(3)P為碰前入射小球落點的平均位置,M為碰后入射小球落點的位置,N為碰后被碰小球落點的位置,碰撞前入射小球的速度為v1=eq \f(\x\t(OP),t)
碰撞后入射小球的速度為v2=eq \f(\x\t(OM),t)
碰撞后被碰小球的速度為v3=eq \f(\x\t(O′N),t)
若m1v1=m2v3+m1v2,則表明通過該實驗驗證了兩球碰撞過程中總動量保持不變,由于小球做平拋運(yùn)動的時間相同,可得m1eq \(OP,\s\up6(-))=m1eq \(OM,\s\up6(-))+m2eq \(O′N,\s\up6(-))
故需要的測量工具有毫米刻度尺和天平。
(4)根據(jù)平拋運(yùn)動的規(guī)律有h2=eq \f(1,2)gt2,解得t=eq \r(\f(2h2,g))
平拋運(yùn)動的初速度為v0=eq \f(x,t)=xeq \r(\f(g,2h2))
則動能的增加量為ΔEk=eq \f(1,2)mveq \\al(2,0)=eq \f(mgx2,4h2)
重力勢能的減小量為ΔEp=mgh1
則需驗證eq \f(mgx2,4h2)=mgh1
即x2=4h1h2。
[答案] (1)C (2)m1eq \(OP,\s\up6(-))=m1eq \(OM,\s\up6(-))+m2eq \(O′N,\s\up6(-)) (3)AC (4)x2=4h1h2
4.用如圖所示裝置來研究碰撞中的動量守恒。質(zhì)量為mA的鋼球A用細(xì)線懸掛于O點,質(zhì)量為mB的鋼球B放在離地面高為H的小支柱上,O點到小球A球心的距離為L,小球釋放前懸線伸直且懸線與豎直方向的夾角為α。小球A釋放后到最低點與B發(fā)生正碰,碰撞后B做平拋運(yùn)動,小球A把輕桿指針OC推移到與豎直方向成夾角γ的位置,在地面上鋪一張帶有復(fù)寫紙的白紙D。保持夾角α不變,多次重復(fù),在白紙上記錄了多個B球的落地點。(mA、mB為已知量,其余物理量為未知量)
(1)圖中的x應(yīng)該是B球所處位置到________的水平距離。
(2)為了驗證兩球碰撞過程中的動量守恒,需要測______等物理量。
(3)用測得的物理量表示碰撞前后A球和碰撞前后B球的質(zhì)量與速度的乘積依次為________、______、________、________。
[解析] (1)x應(yīng)為B球所處位置到B球各次落地點所在最小圓的圓心的水平距離。
(2)要驗證碰撞中的動量守恒,即驗證mAvA=mAvA′+mBvB′,需要測量的物理量有碰撞前后的速度vA,vA′、vB′。對于小球A,從某一固定位置擺動到最低點與小球B碰撞時的速度可以由機(jī)械能守恒定律算出,eq \f(1,2)mAveq \\al(2,A)=mAgL(1-cs α),由此可以看出,需要測出從懸點到小球A的球心間的距離L和擺線與豎直方向的夾角α。碰撞后,小球A繼續(xù)擺動并推動輕桿一起運(yùn)動,碰后的速度也可以由機(jī)械能守恒定律算出,由eq \f(1,2)mAvA′2=mAgL(1-cs γ)可以看出,需要測出γ。對于小球B,碰撞后做平拋運(yùn)動,由平拋運(yùn)動知識H=eq \f(1,2)gt2和x=vB′t,得vB′=xeq \r(\f(g,2H))。由此可以看出需要測量x、H。
(3)碰撞前后A球和碰撞前后B球的質(zhì)量與速度的乘積依次為mAeq \r(2gL(1-cs α))、
mAeq \r(2gL(1-cs γ))、0、mBxeq \r(\f(g,2H))。
[答案] (1)B球各次落地點所在最小圓的圓心
(2)x、H、L、α、γ
(3)mAeq \r(2gL(1-cs α)) mAeq \r(2gL(1-cs γ)) 0
mBxeq \r(\f(g,2H))
實驗?zāi)繕?biāo)
1.明確驗證動量守恒定律的基本思路。
2.驗證一維碰撞中的動量守恒。
3.知道實驗數(shù)據(jù)的處理方法。
這是一份高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第一冊4 實驗:驗證動量守恒定律優(yōu)秀學(xué)案設(shè)計,共12頁。
這是一份高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第一冊4 實驗:驗證動量守恒定律學(xué)案設(shè)計,共11頁。學(xué)案主要包含了實驗原理與方法,實驗器材,實驗過程,數(shù)據(jù)處理,誤差分析,注意事項等內(nèi)容,歡迎下載使用。
這是一份高中物理教科版 (2019)選擇性必修 第一冊第四章 光及其應(yīng)用4 光的干涉學(xué)案,共21頁。
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