
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、四種實(shí)驗(yàn)方案
方案一 利用氣墊導(dǎo)軌完成一維碰撞實(shí)驗(yàn)
1.測質(zhì)量:用天平測出滑塊質(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)時裝置測出兩滑塊各種情況下碰撞前后的速度(①改變滑塊質(zhì)量;②改變滑塊的初速度大小和方向)。
4.驗(yàn)證:一維碰撞中的動量守恒。
5.?dāng)?shù)據(jù)處理
(1)滑塊速度: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(jì)時器顯示的滑塊(擋光片)經(jīng)過光電門的時間。
(2)表達(dá)式:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。
方案二 利用長木板上兩車碰撞完成一維碰撞實(shí)驗(yàn)
1.測質(zhì)量:用天平測出兩小車的質(zhì)量。
2.安裝:將打點(diǎn)計(jì)時器固定在光滑長木板的一端,把紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時器,連在小車的后面,在兩小車的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥,如圖所示。
3.實(shí)驗(yàn):接通電源,讓小車A運(yùn)動,小車B靜止,兩車碰撞時撞針插入橡皮泥中,把兩小車連接成一個整體運(yùn)動。
4.改變條件:改變碰撞條件,重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
5.?dāng)?shù)據(jù)處理
(1)速度的測量:v=eq \f(Δx,Δt),式中Δx是紙帶上兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離,可用刻度尺測量,Δt為小車經(jīng)過Δx的時間,可由打點(diǎn)間隔算出。
(2)表達(dá)式:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。
方案三 利用等長擺球完成一維碰撞實(shí)驗(yàn)
1.測質(zhì)量和直徑:用天平測出小球的質(zhì)量m1、m2,用游標(biāo)卡尺測出小球的直徑d。
2.安裝:如圖,把小球用等長懸線懸掛起來,并用刻度尺測量懸線長度l。
3.實(shí)驗(yàn):一個小球靜止,拉起另一個小球,放下時它們相碰。
4.測角度:用量角器測量小球被拉起的角度和碰撞后兩小球擺起的角度。
5.改變條件重復(fù)實(shí)驗(yàn)
(1)改變小球被拉起的角度;
(2)改變擺長。
6.數(shù)據(jù)處理
(1)擺球速度的測量:v=eq \r(2gh),式中h為小球釋放時(或碰撞后擺起)的高度,h可由擺角和擺長eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(l+\f(d,2)))計(jì)算出。
(2)驗(yàn)證的表達(dá)式:m1v1=m1v1′+m2v2′。
方案四 利用斜槽滾球完成一維碰撞實(shí)驗(yàn)
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∏颉?br>2.安裝:安裝實(shí)驗(yàn)裝置,如圖甲所示。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。記下重垂線所指的位置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·OP=m1·OM+m2·ON,看在誤差允許的范圍內(nèi)是否成立。
三、誤差分析
1.系統(tǒng)誤差:主要來源于實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)操作等。
(1)碰撞是否為一維。
(2)氣墊導(dǎo)軌是否完全水平,擺球受到空氣阻力,小車受到長木板的摩擦力,入射小球的釋放高度存在差異。
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。
四、注意事項(xiàng)
1.若利用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行驗(yàn)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.若利用兩小車相碰進(jìn)行驗(yàn)證,要注意平衡摩擦力。
3.若利用擺球進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)前兩擺球應(yīng)剛好接觸且球心在同一水平線上,將擺球拉起后,兩擺線應(yīng)在同一豎直面內(nèi)。
4.若利用平拋運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)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(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。
1.某同學(xué)欲采用課本上介紹的氣墊導(dǎo)軌和光電計(jì)時器等器材進(jìn)行“驗(yàn)證動量守恒定律”的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示,下面是實(shí)驗(yàn)的主要步驟:
①安裝好氣墊導(dǎo)軌和光電門,調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)旋鈕,使導(dǎo)軌水平;
②測得A和B兩滑塊上遮光片的寬度均為d;
③得到A、B兩滑塊(包含遮光片)的質(zhì)量m1、m2;
④向氣墊導(dǎo)軌通入壓縮空氣;
⑤利用氣墊導(dǎo)軌左右的彈射裝置,使滑塊A、B分別向右和向左運(yùn)動,測出滑塊A、B在碰撞前經(jīng)過光電門過程中擋光時間分別為Δt1和Δt2;
⑥觀察發(fā)現(xiàn)滑塊A、B碰撞后通過粘膠粘合在一起,運(yùn)動方向與滑塊B碰撞前運(yùn)動方向相同,此后滑塊A再次經(jīng)過光電門時擋光時間為Δt。
試解答下列問題:
(1)碰撞前A滑塊的速度大小為________,碰撞前B滑塊的速度大小為________。
(2)為了驗(yàn)證碰撞中動量守恒,需要驗(yàn)證的關(guān)系式是:________________________ (用題中物理量表示)。
(3)有同學(xué)認(rèn)為利用此實(shí)驗(yàn)裝置還能計(jì)算碰撞過程中損失的機(jī)械能。請用上述實(shí)驗(yàn)過程測出的相關(guān)物理量,表示出A、B系統(tǒng)在碰撞過程中損失的機(jī)械能ΔE=__________。
2.用如圖所示的裝置可以驗(yàn)證動量守恒定律,在滑塊A和B相碰的端面上裝上彈性碰撞架,它們的上端裝有等寬的擋光片.
(1)實(shí)驗(yàn)前需要調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平,借助光電門來檢驗(yàn)氣墊導(dǎo)軌是否水平的方法是_________.
(2)為了研究兩滑塊所組成的系統(tǒng)在彈性碰撞和完全非彈性碰撞兩種情況下的動量關(guān)系,實(shí)驗(yàn)分兩次進(jìn)行.
第一次:將滑塊A置于光電門1的左側(cè),滑塊B靜置于兩光電門間的某一適當(dāng)位置.給A一個向右的初速度,通過光電門1的時間為Δt1,A與B碰撞后又分開,滑塊A再次通過光電門1的時間為Δt2,滑塊B通過光電門2的時間為Δt3.
第二次:在兩彈性碰撞架的前端貼上雙面膠,同樣讓滑塊A置于光電門1的左側(cè),滑塊B靜置于兩光電門間的某一適當(dāng)位置.給A一個向右的初速度,通過光電門1的時間為Δt4,A與B碰撞后粘連在一起,滑塊B通過光電門2的時間為Δt5.
為完成該實(shí)驗(yàn),還必須測量的物理量有________(填選項(xiàng)前的字母).
A.擋光片的寬度d
B.滑塊A的總質(zhì)量m1
C.滑塊B的總質(zhì)量m2
D.光電門1到光電門2的距離L
(3)在第二次實(shí)驗(yàn)中若滑塊A和B在碰撞的過程中動量守恒,則應(yīng)該滿足的表達(dá)式為________________(用已知量和測量量表示).
(4)在第一次實(shí)驗(yàn)中若滑塊A和B在碰撞的過程中機(jī)械能守恒,則應(yīng)該滿足的表達(dá)式為________________(用已知量和測量量表示).
3.(2020·全國卷Ⅰ)某同學(xué)用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證動量定理,所用器材包括:氣墊導(dǎo)軌、滑塊(上方安裝有寬度為d的遮光片)、兩個與計(jì)算機(jī)相連接的光電門、砝碼盤和砝碼等。
實(shí)驗(yàn)步驟如下:
(1)開動氣泵,調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌,輕推滑塊,當(dāng)滑塊上的遮光片經(jīng)過兩個光電門的遮光時間________時,可認(rèn)為氣墊導(dǎo)軌水平;
(2)用天平測砝碼與砝碼盤的總質(zhì)量m1、滑塊(含遮光片)的質(zhì)量m2;
(3)用細(xì)線跨過輕質(zhì)定滑輪將滑塊與砝碼盤連接,并讓細(xì)線水平拉動滑塊;
(4)令滑塊在砝碼和砝碼盤的拉動下從左邊開始運(yùn)動,和計(jì)算機(jī)連接的光電門能測量出遮光片經(jīng)過A、B兩處的光電門的遮光時間Δt1、Δt2及遮光片從A運(yùn)動到B所用的時間t12;
(5)在遮光片隨滑塊從A運(yùn)動到B的過程中,如果將砝碼和砝碼盤所受重力視為滑塊所受拉力,拉力沖量的大小I=________,滑塊動量改變量的大小Δp=________;(用題中給出的物理量及重力加速度g表示)
(6)某次測量得到的一組數(shù)據(jù)為:d=1.000 cm,m1=1.50×10-2 kg,m2=0.400 kg,Δt1=3.900×10-2 s,Δt2=1.270×10-2 s,t12=1.50 s,取g=9.80 m/s2。計(jì)算可得I=________N·s,Δp=________ kg·m·s-1;(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)
(7)定義δ=eq \b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\c1(\f(I-Δp,I)))×100%,本次實(shí)驗(yàn)δ=______%(保留1位有效數(shù)字)。
4.(2022·宿州第三次模擬)某實(shí)驗(yàn)小組用光滑導(dǎo)軌驗(yàn)證滑塊碰撞過程中動量守恒。實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示,兩滑塊置于導(dǎo)軌上,其中滑塊2左側(cè)粘有橡皮泥。
(1)電火花計(jì)時器固定在緊靠導(dǎo)軌左端并連接在50 Hz交流電源上,將紙帶穿過計(jì)時器并固定在滑塊1的左端(圖中未畫出),調(diào)節(jié)打點(diǎn)計(jì)時器的高度使紙帶始終與導(dǎo)軌平行。
主要步驟:
①實(shí)驗(yàn)前應(yīng)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌底部的調(diào)節(jié)旋鈕,使導(dǎo)軌________;
②把滑塊2放在導(dǎo)軌的中間,使滑塊1置于左端彈射架上;
③先____________,然后____________,讓滑塊1帶動紙帶一起運(yùn)動;(選填“接通電源”“釋放滑塊1”或“釋放滑塊2”)
④取下紙帶,重復(fù)步驟②③,選出理想的紙帶;
⑤用天平測得滑塊1的質(zhì)量為300 g,滑塊2(包括橡皮泥)的質(zhì)量為346 g。
(2)某次實(shí)驗(yàn)打出的紙帶如圖乙所示(紙帶上的點(diǎn)為自然點(diǎn))。兩滑塊碰撞之前系統(tǒng)的總動量為________kg·m/s;兩滑塊碰撞之后系統(tǒng)的總動量為________kg·m/s。(結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)
5.某學(xué)校物理興趣小組的同學(xué)利用身邊的實(shí)驗(yàn)器材,完成驗(yàn)證動量守恒定律實(shí)驗(yàn).身邊的實(shí)驗(yàn)器材有刻度尺、天平、秒表、量角器、打點(diǎn)計(jì)時器(一套)、裝有厚厚一層松軟細(xì)砂的小車(以下簡稱“小車”)、鐵塊、一端帶有豎直擋板的長木板、木塊、紙帶.實(shí)驗(yàn)步驟如下:
第1步:把長木板帶有豎直擋板的一端固定在水平桌面上,把木塊墊在木板的左端下方,制成一個斜面.并將實(shí)驗(yàn)器材按如圖所示方式安裝好;把小車放到木板上,將穿過打點(diǎn)計(jì)時器的紙帶與小車連接.通過左右調(diào)整木塊位置,直到給小車一個沿木板向下的初速度,小車所連紙帶上打出的點(diǎn)間隔均勻.
第2步:把小車放到木板上靠近打點(diǎn)計(jì)時器的一端,給小車一個沿木板向下的初速度,經(jīng)過一段時間后把鐵塊輕輕放到小車?yán)锏募?xì)砂上.
第3步:取下紙帶,分別測量紙帶上點(diǎn)跡均勻的兩部分連續(xù)5個點(diǎn)的距離x1和x2,且x1>x2.
第4步:重復(fù)第2步和第3步,記錄x1和x2.
請回答下列問題.
(1)下列實(shí)驗(yàn)器材中必需的是________(選填選項(xiàng)前的字母).
A.天平 B.秒表 C.刻度尺 D.量角器
(2)在坐標(biāo)紙上,以x1和x2分別為縱、橫軸,把記錄的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)連線,得到一條斜率為k的過原點(diǎn)的直線.只需滿足鐵塊與小車的質(zhì)量的比值為________,就能驗(yàn)證小車和鐵塊沿________方向動量守恒.
(3)若鐵塊從一定高度由靜止釋放做自由落體運(yùn)動落到小車上的細(xì)砂里,小車和鐵塊組成的系統(tǒng)沿斜面方向的動量________(填“不守恒”或“守恒”),小車勻速運(yùn)動時的動量________(填“大于”“小于”或“等于”)鐵塊落到細(xì)砂里后小車和鐵塊組成的系統(tǒng)的總動量.
6.某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個用打點(diǎn)計(jì)時器探究碰撞過程中不變量的實(shí)驗(yàn):在小車甲的前端黏有橡皮泥,推動小車甲使之做勻速直線運(yùn)動,然后與原來靜止在前方的小車乙相碰并粘合成一體,而后兩車?yán)^續(xù)做勻速直線運(yùn)動,他設(shè)計(jì)的具體裝置如圖所示.在小車甲后連著紙帶,打點(diǎn)計(jì)時器打點(diǎn)頻率為50 Hz,長木板一端下面墊著小木片用以平衡摩擦力.
(1)若已得到打點(diǎn)紙帶如圖所示,并將測得的各計(jì)數(shù)點(diǎn)間距離標(biāo)在圖上,A點(diǎn)是運(yùn)動起始的第一點(diǎn),則應(yīng)選________段來計(jì)算甲的碰前速度,應(yīng)選______段來計(jì)算甲和乙碰后的共同速度(以上兩空均選填“AB”“BC”“CD”或“DE”).
(2)已測得小車甲的質(zhì)量m甲=0.40 kg,小車乙的質(zhì)量m乙=0.20 kg,由以上測量結(jié)果可得:碰前m甲v甲+m乙v乙=________ kg·m/s;碰后m甲v甲′+m乙v乙′=________ kg·m/s(結(jié)果保留3位有效數(shù)字).
(3)由(2)可得出的結(jié)論是__________.
7.如圖所示為驗(yàn)證碰撞中的總動量守恒的實(shí)驗(yàn)裝置,質(zhì)量為mA的鋼球A用細(xì)線懸掛于O點(diǎn),質(zhì)量為mB的鋼球B放在小支柱N上,使懸線在A球靜止釋放前伸直,且線與豎直方向的夾角為α,A球釋放后擺到最低點(diǎn)時恰好與B球正碰,碰撞后,A球把豎直輕質(zhì)指示針OC推移到與豎直方向夾角為β處,B球落到地面上,地面上鋪有一張蓋有復(fù)寫紙的白紙D,保持α角度不變,多次重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),白紙上記錄到多個B球的落地點(diǎn).(重力加速度為g)
(1)實(shí)驗(yàn)中還需要測量的物理量有哪些?________
(2)寫出驗(yàn)證總動量守恒的表達(dá)式:________.
8.(2022·鷹潭二模)某同學(xué)用如圖甲所示的裝置驗(yàn)證碰撞中動量守恒。一根長為L的輕質(zhì)不可伸縮的細(xì)線一端拴住質(zhì)量為mA的小鋼球A,另一端固定在懸點(diǎn)O,在最低點(diǎn)的前后放置一光電門,光電門前的水平面上放一質(zhì)量為mB的金屬物塊B,物塊的上表面中央固定一輕質(zhì)的遮光片?,F(xiàn)將小球向右拉至細(xì)線水平后靜止釋放,小球在最低點(diǎn)與物塊碰撞后反彈上升,測出小球反彈上升時細(xì)線的最大偏角為θ,光電門記錄的擋光時間為t,已知重力加速度為g。
(1)用20分度的游標(biāo)卡尺測遮光片的寬度如圖乙所示,則遮光片的寬度d=________mm。
(2)小球與物塊的質(zhì)量大小關(guān)系為mA________(選填“>”“=”或“mB)。實(shí)驗(yàn)時先使A球從斜槽上某一位置G由靜止釋放,落到位于水平地面的記錄紙上,留下痕跡。重復(fù)上述操作多次,得到多個落點(diǎn)痕跡。再把B球放在水平槽末端R,讓A球仍從位置G由靜止釋放。兩球碰撞后,A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點(diǎn)痕跡,重復(fù)這種操作多次。圖甲中O點(diǎn)是水平槽末端R在記錄紙上的豎直投影點(diǎn)。B球落點(diǎn)痕跡如圖乙所示,圖中米尺的零刻度線與O點(diǎn)對齊(未畫出)。
(1)碰撞后B球的水平射程應(yīng)為________cm;
(2)以下選項(xiàng)中,本次實(shí)驗(yàn)必須進(jìn)行測量的是__________(填選項(xiàng)前的字母)。
A.測量A球未與B球相碰時的平均落點(diǎn)到O點(diǎn)的距離
B.測量A球與B球相碰后的平均落點(diǎn)到O點(diǎn)的距離
C.測量A球和B球的直徑
D.測量A球和B球的質(zhì)量
E.測量水平槽面相對于O點(diǎn)的高度
12.(2022·北京豐臺區(qū)二模)在“驗(yàn)證動量守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中,先讓質(zhì)量為m1的A球從斜槽軌道上某一固定位置S由靜止開始滾下,從軌道末端水平拋出,落到位于水平地面的復(fù)寫紙上,在復(fù)寫紙下面的白紙上留下痕跡。重復(fù)上述操作10次,得到10個落點(diǎn)痕跡。再把質(zhì)量為m2的B球放在斜槽軌道末端,讓A球仍從位置S由靜止?jié)L下,與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、P、N為三個落點(diǎn)的平均位置,O點(diǎn)是軌道末端在白紙上的豎直投影點(diǎn)。
(1)實(shí)驗(yàn)中,通過測量________間接地測定小球碰撞前后的速度;
A.小球開始釋放的高度h
B.小球拋出點(diǎn)距地面的高度H
C.小球做平拋運(yùn)動的水平距離
(2)以下提供的器材中,本實(shí)驗(yàn)必須使用的是________;
A.刻度尺 B.天平 C.秒表
(3)關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng),下列說法正確的是________;
A.斜槽軌道必須光滑
B.斜槽軌道末端的切線必須水平
C.上述實(shí)驗(yàn)過程中白紙可以移動
D.兩小球A、B半徑相同
(4)為了盡量減小實(shí)驗(yàn)誤差,兩個小球的質(zhì)量應(yīng)滿足m1>m2,若滿足關(guān)系式____________________則可以認(rèn)為兩小球碰撞前后總動量守恒;
(5)某同學(xué)記錄小球三個落點(diǎn)的平均位置時發(fā)現(xiàn)M和N偏離了OP方向,如圖甲所示。該同學(xué)認(rèn)為只要滿足關(guān)系式________________________,則說明兩小球碰撞前后總機(jī)械能守恒;
(6)實(shí)驗(yàn)時,若斜槽軌道光滑、兩小球發(fā)生彈性碰撞,且 m1
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