实验--验证动量守恒定律

实验十四验证动量守恒定律第十二章碰撞与动量守恒栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒实验分析与导引一、设计实验【实验目的】验证一维碰撞中的动量守恒．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒【实验原理】在一维碰撞中，测出物体的质量m和碰撞前后物体的速度v、v′，找出碰撞前的动量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的动量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前后动量是否守恒．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒【实验器材】方案一：气垫导轨，滑块，天平，弹性圈，粘扣，挡光片，光电门，物理实验微机辅助教学系统．方案二：重垂线一条，大小相等、质量不同的小球两个，斜槽，白纸，复写纸，刻度尺，天平一台，圆规一个．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒【实验步骤】方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验1．测质量：用天平测出滑块质量．2．安装：正确安装好气垫导轨．(如图12－2－1所示)栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒图12－2－1栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒3．实验：接通电源，利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度(①改变滑块的质量；②改变滑块的初速度大小和方向)．4．验证：一维碰撞中的动量守恒．方案二：利用斜槽完成一维碰撞实验1．先用天平测出小球质量m1、m2.栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒2．按如图12－2－2所示安装好实验装置，将斜槽固定在桌边，使槽的末端切线水平．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒图12－2－2栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒3．在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸，在白纸上记下重垂线所指的位置O.4．先不放被碰小球，让入射球从斜槽上某一高度处滚下，重复10次，用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面，圆心就是入射球不碰时的落地点P.栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒5．把被碰小球放在斜槽前端边缘处，让入射小球从同一高度滚下，使它们发生正碰，重复10次，依照步骤4求出入射小球落点的平均位置M和被碰小球落点的平均位置N.过O、N在纸上作一直线．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒6．用刻度尺量出线段OM、OP、ON的长度．把两小球的质量和相应的长度数值代入m1OP＝m1OM＋m2ON看是否成立．(如图12－2－3所示)栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒图12－2－3栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒二、数据处理方案一：滑块速度的测量：v＝ΔsΔt，式中Δs为滑块挡光片的宽度(仪器说明书上给出，也可直接测量)，Δt为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间．方案二：根据平抛运动的知识，相同高栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒度时间相同，故水平位移由水平速度决定，可用位移代替速度，验证m1OP＝m1OM＋m2ON.栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒三、注意事项1．前提条件：碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”．2．若利用“气垫导轨”完成实验，调整气垫导轨时，注意利用水平仪确保导轨水平．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒若用“斜槽”完成实验，斜槽末端的切线必须水平，入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒四、误差分析1．系统误差：主要来源于装置本身是否符合要求，即：(1)碰撞是否为一维碰撞．(2)实验是否满足动量守恒的条件：如气垫导轨是否水平，两球是否等大．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒2．偶然误差：主要来源于质量m和速度v的测量．3．改进措施：(1)设计方案时应保证碰撞为一维碰撞，且尽量满足动量守恒的条件．(2)采取多次测量求平均值的方法减小偶然误差．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒一、基本实验原理及操作如图12－2－4所示为“验证动量守恒定律”实验装置示意图．图12－2－4典例透析与示范例1栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒(1)入射小球1与被碰小球2直径相同，它们的质量相比较，应是m1________m2.(2)为了保证小球做平抛运动，必须调整斜槽使________．(3)实验步骤如下：A．在地面上依次铺白纸和复写纸．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒B．确定重锤对应点O.C．不放球2，让球1从槽M点滚下，确定它的落地点P.D．把球2放在立柱上，让球1从斜槽M点滚下，与球2正碰后，确定它们落地位置L1、L2.E．量出OL1、OP、OL2的长度．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒F．看m1OL1＋m2OL2与m1OP是否相等，以验证动量守恒．上述步骤不完善及错误之处有：①______________________________；②______________________________.栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒【解析】(1)为了不使1球和2球碰后被弹回，球1的质量应大于球2的质量，即m1m2.(2)为保证小球能做平抛运动，应使斜槽末端切线水平．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒(3)①为了减小误差，测量中的P、L1、L2为小球多次落地的平均位置．②(F)验证的OL2应为OL2－2r，OP应为OP－2r，OL1应为OL1－2r(r为球半径)．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒【答案】(1)(2)斜槽末端切线水平(3)见解析【规律总结】掌握该实验的操作要领和注意事项是解决问题的关键．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒二、实验数据的处理例2气垫导轨(如图12－2－5甲)工作时，空气从导轨表面的小孔喷出，在导轨表面和滑块内表面之间形成一层薄薄的空气层，使滑块不与导轨表面直接接触，大大减小了滑块运动时的阻力．为了验证动量守恒定律，在栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒水平气垫导轨上放置两个质量均为a的滑块，每个滑块的一端分别与穿过打点计时器的纸带相连，两个打点计时器所用电源的频率均为b.气垫导轨正常工作后，接通两个打点计时器的电源，并让两滑块以不同的速度相向运动，两滑块相碰后粘在一起继续运动．图乙为某次栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒实验打出的点迹清晰的纸带的一部分，在纸带上以同间距的6个连续点为一段划分纸带，用刻度尺分别量出其长度s1、s2和s3.若题中各物理量的单位均为国际单位，那么，碰撞前两滑块的动量大小分别为________、________，两滑块的总动量大小为________；碰撞后两栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒滑块的总动量大小为________．重复上述实验，多做几次．若碰撞前、后两滑块的总动量在实验误差允许的范围内相等，则动量守恒定律得到验证．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒图12－2－5栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒【解析】动量p＝mv，根据v＝s/(5t)可知两滑块碰前的速度分别为v1＝0.2s1b、v2＝0.2s3b，则碰前动量分别为0.2abs1和0.2abs3，总动量大小为av1－av2＝0.2ab(s1－s3)；碰撞后两滑块的总动量大小为2av＝2as2/(5t)＝0.4abs2.栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒【答案】0.2abs30.2abs10.2ab(s1－s3)0.4abs2(第1、2空答案可互换)【规律总结】本实验是另一种验证动量守恒的方法，数据记录是借助纸带，正确掌握利用纸带求瞬时速度的方法是解题的前提．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒三、创新实验例3某同学设计了一个用打点计时器验证动量守恒定律的实验：在小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速运动．然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续做匀速运动．他设计的具体装置如图12栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒－2－6甲所示．在小车A后连着纸带，电磁打点计时器电源频率为50Hz，长木板右端下面垫放小木块用以平衡摩擦力．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒图12－2－6栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒(1)若已知打出的纸带如图乙所示，并测得各计数点间距已标在图上．A为运动起始的第一点，则应选______段来计算A的碰前速度，应选________段来计算A和B碰后的共同速度．(以上两空选填“AB”或“BC”或“CD”或“DE”)栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒(2)已测得小车A的质量m1＝0.40kg，小车B的质量m2＝0.20kg，由以上测量结果可得：碰前总动量______________kg·m/s.碰后总动量________kg·m/s.栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒【解析】(1)从分析纸带上打点情况看，BC段既表示小车做匀速运动，又表示小车有较大速度，因此BC段能较准确地描述小车A在碰撞前的运动情况，应选用BC段计算A的碰前速度．从CD段打点情况看，小车的运动情况还没稳定，而在DE段内小车运动稳定，故应选用DE段来计算碰后A和B的共同速度．栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒(2)小车A在碰撞前速度v0＝BC5×1f＝10.50×10－25×0.02m/s＝1.050m/s，小车A在碰撞前动量p0＝m1v0＝0.40×1.050kg·m/s＝0.420kg·m/s，碰撞后A、B共同速度v共＝DE5×1f＝6.95×10－25×0.02m/s栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒＝0.695m/s，碰撞后A、B的总动量：p′＝(m1＋m2)v共＝(0.40＋0.20)×0.695kg·m/s＝0.417kg·m/s.【答案】(1)BCDE(2)0.4200.417栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒知能优化演练：3．(单选)A、B两滑块在一水平长直气垫导轨上相碰，用闪光照相机在t0＝0，t1＝Δt，t2＝2·Δt，t3＝3·Δt各时刻闪光四次，摄得如图12－2－8所示照片，其中B像有重叠，mB＝mA，由此可判断()A．碰前B静止，碰撞发生在60cm处，t＝2.5ΔtB．碰前B静止，碰撞发生在60cm处，t＝0.5ΔtC．碰后B静止，碰撞发生在60cm处，t＝0.5ΔtD．碰后B静止，碰撞发生在60cm处，t＝2.5Δt栏目导引实验分析与导引典例透析与示范知能优化与演练第十二章碰撞与动量守恒知能优化演练：3．(单选)A、B两滑块在一水平长直气垫导轨上相碰，用闪光照相机在t0＝0，t1＝Δt，t2＝2·Δt，t3＝3·Δt各时刻闪光四次，摄得如图12－2－8所示照片，其中B像有重叠，mB＝mA，由