2018版高考物理一轮温习-第五章节-能量和动量-实验七-验证动量守恒定律讲义

实验七验证动量守恒定律实验目的：验证动量守恒定律。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。[实验方案一]利用气垫导轨完成一维碰撞实验[实验器材]气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。[实验步骤]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。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。[数据处理]1．滑块速度的测量：v＝ΔxΔt，式中Δx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。2．验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。[实验方案二]利用等长摆球完成一维碰撞实验[实验器材]带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。[实验步骤]1．测质量：用天平测出两小球的质量m1、m2。2．安装：把两个等大小球用等长悬线悬挂起来。3．实验：一个小球静止，拉起另一个小球，放下时它们相碰。4．测速度：可以测量小球被拉起的角度，从而算出碰撞前对应小球的速度，测量碰撞后小球摆起的角度，算出碰撞后对应小球的速度。5．改变条件：改变碰撞条件，重复实验。6．验证：一维碰撞中的动量守恒。[数据处理]1．摆球速度的测量：v＝2gh，式中h为小球释放时(或碰撞后摆起的)高度，h可用刻度尺测量(也可由量角器和摆长计算出)。2．验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。[实验器材]光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥。[实验方案三]利用两辆小车完成一维碰撞实验[实验步骤]1．测质量：用天平测出两小车的质量。2．安装：将打点计时器固定在光滑长木板的一端，把纸带穿过打点计时器，连在小车的后面，在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥。3．实验：接通电源，让小车A运动，小车B静止，两车碰撞时撞针插入橡皮泥中，把两小车连接成一个整体运动。4．测速度：通过纸带上两计数点间的距离及时间，由v＝ΔxΔt算出速度。5．改变条件：改变碰撞条件，重复实验。6．验证：一维碰撞中的动量守恒。[数据处理]1．小车速度的测量：v＝ΔxΔt，式中Δx是纸带上两计数点间的距离，可用刻度尺测量，Δt为小车经过Δx的时间，可由打点间隔算出。2．验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′。[实验方案四]利用斜槽滚球验证动量守恒定律[实验器材]斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等。[实验步骤]1．测质量：用天平测出两小球的质量，并选定质量大的小球为入射小球。2．安装：按照如图所示安装实验装置。调整固定斜槽使斜槽底端水平。3．铺纸：白纸在下，复写纸在上且在适当位置铺放好。记下重垂线所指的位置O。4．放球找点：不放被撞小球，每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，重复10次。用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面。圆心P就是小球落点的平均位置。5．碰撞找点：把被撞小球放在斜槽末端，每次让入射小球从斜槽同一高度自由滚下，使它们发生碰撞，重复实验10次。用步骤4的方法，标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N。如图所示。6．验证：连接ON，测量线段OP、OM、ON的长度。将测量数据填入表中。最后代入m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，看在误差允许的范围内是否成立。7．结束：整理好实验器材放回原处。[数据处理]验证的表达式：m1·OP＝m1·OM＋m2·ON。注意事项1．前提条件：碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。2．方案提醒(1)若利用气垫导轨进行验证，调整气垫导轨时，应注意利用水平仪确保导轨水平。(2)若利用摆球进行验证，两摆球静止时球心应在同一水平线上，且刚好接触，摆线竖直，将摆球拉起后，两摆线应在同一竖直面内。(3)若利用两小车相碰进行验证，要注意平衡摩擦力。(4)若利用平抛运动规律进行验证，安装实验装置时，应注意调整斜槽，使斜槽末端水平，且选质量较大的小球为入射小球。3．探究结论：寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不变。误差分析1．系统误差：主要来源于装置本身是否符合要求。(1)碰撞是否为一维。(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，用长木板实验时是否平衡掉摩擦力。2．偶然误差：主要来源于质量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的测量。突破点(一)实验原理与操作[典例1]如图，用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律，即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。(1)实验中，直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的。但是，可以通过仅测量________(填选项前的符号)，间接地解决这个问题。A．小球开始释放高度hB．小球抛出点距地面的高度HC．小球做平抛运动的射程(2)图中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影，实验时先让入射球m1多次从倾斜轨道上S位置静止释放，找到其平均落地点的位置P，测量平抛射程OP，然后，把被碰小球m2静置于轨道的水平部分，再将入射球m1从斜轨上S位置静止释放，与小球m2相碰，并多次重复。接下来要完成的必要步骤是________。(填选项前的符号)A．用天平测量两个小球的质量m1、m2B．测量小球m1开始释放高度hC．测量抛出点距地面的高度HD．分别找到m1、m2相碰后平均落地点的位置M、NE．测量平抛射程OM、ON(3)若两球相碰前后的动量守恒，其表达式可表示为__________________[用(2)中测量的量表示]；若碰撞是弹性碰撞，那么还应满足的表达式为________________[用(2)中测量的量表示]。[解析](1)小球碰前和碰后的速度都可用平抛运动来测定，即v＝xt。即m1OPt＝m1OMt＋m2ONt；而由H＝12gt2知，每次下落竖直高度相等，平抛时间相等。则可得m1·OP＝m1·OM＋m2·ON。故只需测射程，因而选C。(2)由表达式知：在OP已知时，需测量m1、m2、OM和ON，故必要步骤A、D、E。(3)若为弹性碰撞，则同时满足动能守恒。12m1OPt2＝12m1OMt2＋12m2ONt2m1·OP2＝m1·OM2＋m2·ON2。[答案](1)C(2)ADE(3)m1·OM＋m2·ON＝m1·OPm1·OM2＋m2·ON2＝m1·OP2[集训冲关]1．(2017·南宁模拟)如图所示为“验证碰撞中的动量守恒”实验装置示意图。(1)入射小球1与被碰小球2直径相同，均为d，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)继续实验步骤为：A．在地面上依次铺白纸和复写纸。B．确定重锤对应点O。C．不放球2，让球1从斜槽滑下，确定它落地点位置P。D．把球2放在立柱上，让球1从斜槽滑下，与球2正碰后，确定球1和球2落地点位置M和N。E．用刻度尺量OM、OP、ON的长度。F．看m1OM＋m2ON与m1OP是否相等，以验证动量守恒。上述步骤有几步不完善或有错误，请指出并写出相应的正确步骤。________________________________________________。解析：(1)入射小球1与被碰小球2直径相同，即d1＝d2，为防止两球碰撞后入射球反弹，入射球质量应大于被碰球质量，即：m1m2。(2)要使小球做平抛运动，则斜槽的末端必须水平。(3)为使小球离开轨道时的初速度相等，每次释放小球时应从同一高度由静止释放，故步骤D不完善；两球离开轨道后做平抛运动，它们抛出点的高度相等，在空中的运动时间t相等，若碰撞过程动量守恒，则有：m1v1＝m1v1′＋m2v2′，两边同乘以t得：m1v1t＝m1v1′t＋m2v2′t，即为：m1OP＝m1OM＋m2(ON－d)，故步骤F错误。答案：(1)(2)斜槽末端切线水平(3)D不完善，小球1应从斜槽的同一高度由静止释放；F错误，应验证：m1OP＝m1OM＋m2(ON－d)2．(2017·黄冈检测)某同学利用打点计时器和气垫导轨做验证动量守恒定律的实验，气垫导轨装置如图甲所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成。在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着一定数量的小孔，向导轨空腔内不断通入压缩空气，空气会从小孔中喷出，使滑块稳定地漂浮在导轨上，这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差。下面是实验的主要步骤：①安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；②向气垫导轨通入压缩空气；③把打点计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧，将纸带穿过打点计时器和弹射架并固定在滑块1的左端，调节打点计时器的高度，直至滑块拖着纸带移动时，纸带始终在水平方向；④使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；⑤把滑块2放在气垫导轨的中间；已知碰后两滑块一起运动；⑥先______________，然后________，让滑块带动纸带一起运动；⑦取下纸带，重复步骤④⑤⑥，选出较理想的纸带如图乙所示；⑧测得滑块1(包括撞针)的质量为310g，滑块2(包括橡皮泥)的质量为205g。(1)请完善实验步骤⑥的内容(填到步骤⑥横线上)。(2)已知打点计时器每隔0.02s打一个点，计算可知两滑块相互作用前质量与速度的乘积之和为______kg·m/s；两滑块相互作用以后质量与速度的乘积之和为______kg·m/s。(保留3位有效数字)(3)试说明(2)问中两结果不完全相等的主要原因是______________________________。解析：(1)使用打点计时器时应先接通电源，后放开滑块1。(2)作用前滑块1的速度v1＝0.20.1m/s＝2m/s，其质量与速度的乘积为0.310×2kg·m/s＝0.620kg·m/s，作用后滑块1和滑块2具有相同的速度v＝0.1680.14m/s＝1.2m/s，其质量与速度的乘积之和为(0.310＋0.205)×1.2kg·m/s＝0.618kg·m/s。(3)相互作用前后动量减小的主要原因是纸带与打点计时器的限位孔有摩擦。答案：(1)接通打点计时器的电源放开滑块1(2)0.6200.618(3)纸带与打点计时器的限位孔有摩擦突破点(二)数据处理与误差分析[典例2](2014·全国卷Ⅱ)现利用图所示的装置验证动量守恒定律。在图中，气垫导轨上有A、B两个滑块，滑块A右侧带有一弹簧片，左侧与打点计时器(图中未画出)的纸带相连；滑块B左侧也带有一弹簧片，上面固定一遮光片，光电计时器(未完全画出)可以记录遮光片通过光电门的时间。实验测得滑块A的质量m1＝0.310kg，滑块B的质量m2＝0.108kg，遮光片的宽度d＝1.00cm；打点计时器所用交流电的频率f＝50.0Hz。将光电门固定在滑块B的右侧，启动打点计时器，给滑块A一向右的初速度，使它与B相碰。碰后光电计时器显示的时间为ΔtB＝3.500ms，碰撞前后打出的纸带如图所示。若实验允许的相对误差绝对值碰撞前后总动量之差碰前总动量×100%最大为5%，本实验是否在误差范围内验证了动量守恒定律？写出运算过程。[解析]按定义，滑块运动的瞬时速度大小v＝ΔsΔt①式中Δs为滑块在很短时间Δt内走过的路程。设纸带上打出相邻两点的时间间隔为ΔtA，则ΔtA＝1f＝0.02s②ΔtA可视为很短。设滑块A在碰撞前、后瞬时速度大小分别为v0、v1。将②式和图给实验数据代入①式得v0＝2.00m/s③v1＝0.970m/s④设滑块B在碰撞后的速度大小为v2，由①式有v2＝dΔtB⑤代入题给实验数据得v2＝2.86m/s⑥设两滑块在碰撞前、后的总动量分别为p和p′，则p＝m1v0⑦p′＝m1v1＋m2v2⑧两滑块在碰撞前后总动量相对误差的绝对值为δp＝p－p′