实验证动量守恒定律

实验：验证动量守恒定律2【教法探析】实验目的1．验证一维碰撞中的动量守恒．2．探究一维弹性碰撞的特点．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率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．3实验器材方案一：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．方案二：带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等．方案三：光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥．方案四：斜槽,大小相等质量不同的小钢球两个，重垂线一条，白纸,复写纸，天平一台，刻度尺，圆规．4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．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．5方案二：利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验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．6方案三：在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验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，把两小车连接成一体运动．74．测速度：通过纸带上两计数点间的距离及时间，由v＝ΔsΔt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方案四：利用等大小球做平抛运动完成一维碰撞实验1．先用天平测出小球质量m1、m2.82．按图所示那样安装好实验装置，将斜槽固定在桌边，使槽的末端点切线水平，调节实验装置使两小球碰时处于同一水平高度，且碰撞瞬间，入射小球与被碰小球的球心连线与轨道末端的切线平行，以确保正碰后的速度方向水平．3．在地上铺一张白纸，在白纸上铺放复写纸．4．在白纸上记下重垂线所指的位置O，它表示入射小球m1碰前的位置．95．先不放被碰小球，让入射小球从斜槽上同一高度处滚下，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，圆心就是入射球发生碰撞前的落地点P.6．把被碰小球放在斜槽末端边缘处，让入射小球从同一高度滚下，使它发生正碰，重复10次，仿步骤5求出入射小球落地点的平均位置M和被碰小球落地点的平均位置N.7．过O和N在纸上作一直线．108．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数值代入m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，看是否成立．9．整理实验器材放回原处．数据处理1．无论用什么方法都要用天平测出两物体的质量．2．在不同的方案中求出物体作用前后的速度或用等效的物理量表示出来．3．最后求出作用前后的总动量，然后验证动量是否守恒．11【学法导引】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，长木板实验是否平衡掉摩擦力．2．偶然误差：主要来源于质量m和速度v的测量．12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实验，调整气垫导轨时，注意利用水平仪确保导轨水平．(2)若利用摆球进行实验，两小球静放时球心应在同一水平线上，且刚好接触，摆线竖直，将小球拉起后，两条摆线应在同一竖直面内．(3)若利用长木板进行实验，可在长木板下垫一小木片用以平衡摩擦力．13(4)若利用斜槽小球碰撞应注意：①斜槽末端的切线必须水平．②把被碰小球放在斜槽末端边缘处．③入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放．④选质量较大的小球作为入射小球．⑤实验过程中实验桌、斜槽、记录的白纸的位置要始终保持不变．3．探究结论：寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变．14例1.某同学在探究物体弹性碰撞的特点时，先提出了如下假设：①两个物体碰撞前后各自的质量与自己的速度的乘积之和是不变的；②两个物体碰撞前后各自的质量与自己速度的二次方的乘积之和是不变的.为了验证这个假设,该同学设计了如图所示的实验装置．15先将弹性小球a从斜槽轨道上某固定点处由静止开始滚下，在水平地面上的记录纸上留下压痕，重复10次；再把同样尺寸大小的弹性小球b放在斜槽轨道末端水平段的最右端附近静止，让小球a仍从原固定点由静止开始滚下,和小球b相碰后，两小球分别落在记录纸的不同位置处,重复10次．(1)在安装斜槽轨道时，要注意_________．选择弹性小球a、b时，小球a、b的质量ma、mb应该满足关系：ma________mb(填“”、“＝”或“”)，理由是____________________．16(2)本实验必须测量的物理量有()A．斜槽轨道末端到水平地面的高度HB．小球a、b的质量ma、mbC．小球a、b的半径rD．小球a、b离开斜槽轨道末端后平抛飞行的时间tE．记录纸上O点到A、B、C各点的距离sOA、sOB、sOCF．a球的固定释放点到斜槽轨道末端水平部分间的高度差h17(3)为测定未放被碰小球时,小球a落点的平均位置，把刻度尺的零刻线与记录纸上的O点对齐，图中给出了小球a落点附近的情况，由图可得OB距离应为________cm.(4)由实验测得的数据，如果满足等式________，那么我们认为在碰撞中系统的动量是不变的．18【解析】(1)要保证小球离开斜槽时速度是水平方向的，满足小球做平抛运动，因而要调整斜槽末端水平，使小球能从水平方向飞出．碰撞后为了能使小球继续向前运动，小球a、b的质量ma、mb应该满足关系：mamb.只有这样才能防止入射的小球反弹回去．(2)为了求出动量之间的关系，需要知道两球的质量及它们的水平速度，而由于平抛运动的竖直方向高度相同，小球在空中飞行的时间相同，故可测量它们水平方向的距离来比较速度的大小．答案为B、E.19(3)用一个最小的圆圈住所有的落点，取其圆心，读出数值为46.41cm.(4)用OB和OA、OC表示碰撞前后速度，而碰撞前、后的动量分别maOB和maOA、mbOC，若满足maOB＝maOA＋mbOC则动量守恒．【答案】(1)调整斜槽末端水平防止入射小球反弹(2)BE(3)46.41(4)maOB＝maOA＋mbOC20例2.如图所示，气垫导轨是常用的一种实验仪器，它是利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫，使滑块悬浮在导轨上,滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦．我们可以用带竖直挡板C和D的气垫导轨以及滑块A和B来探究碰撞中的不变量，实验装置如图所示(弹簧的长度忽略不计)，采用的实验步骤如下：21a．用天平分别测出滑块A、B的质量mA、mB.b．调整气垫导轨，使导轨处于水平．c．在A和B间放入一个被压缩的轻弹簧，用电动卡销锁定，静止放置在气垫导轨上．d．用刻度尺测出A的左端至C板的距离L1.e．按下电钮放开卡销,同时使分别记录滑块A、B运动时间的计时器开始工作．当A、B滑块分别碰撞C、D挡板时停止计时，记下A、B分别到达C、D的运动时间t1和t2.22(1)实验中还应测量的物理量是________________．(2)利用上述测量的实验数据，得出关系式________成立，即可得出碰撞中守恒的量是mv的矢量和，上式中算得的A、B两滑块的动量大小并不完全相等，产生误差的原因是________________．(3)利用上述实验数据能否测出被压缩弹簧的弹性势能的大小？如能，请写出表达式．23【解析】(1)要测量B的速度必须要先测出B的位移和运动所用时间，故还应测量的物理量为B的右端至D板的距离L2.(2)因为碰撞之前两物体都静止即总动量为零，所以要得出守恒的量是mv的矢量和，需得到关系式mAL1t1－mBL2t2＝0.给验证带来误差的原因有测量时间、距离等存在误差，由于阻力、气垫导轨不水平等造成误差．(只要答对其中两点即可)24(3)根据能量守恒定律，A、B两物体运动的动能来源于静止时候压缩弹簧的弹性势能，故根据动能的总和可求弹簧的弹性势能Ep＝12mAL21t21＋12mBL22t22.【答案】见解析【模拟练习】1.在“验证动量守恒定律”的实验中，关于入射小球在斜槽上释放点的高低对实验影响的说法中，正确的是(BC)A．释放点越低，小球受阻力越小，入射小球的入射速度越小，误差越小B．释放点越高，两球碰后水平位移越大，水平位移测量的相对误差越小，两球速度的测量越准确25C．释放点越高，两球相碰时相互作用的内力越大，碰撞前后动量之差越小，误差越小D．释放点越高，入射小球对被碰小球的作用力越大，水平槽对被碰小球的阻力越小2.在“碰撞中的动量守恒”实验中，产生误差的主要原因有(ACD)A．碰撞前入射小球的速度方向、碰撞后入射小球的速度方向和碰撞后被碰小球的速度方向不是绝对沿水平方向B．小球在空中飞行时受到空气阻力C．通过复写纸描得的各点，不是理想的点，有一定的大小，从而带来作图上的误差D．测量长度时有误差263.某同学把两块大小不同的木块用细线连接，中间夹一被压缩了的弹簧，如图所示，将这一系统置于光滑的水平桌面上，烧断细线，观察木块的运动情况，进行必要的测量，验证木块间相互作用时动量守恒．(1)该同学还必须有的器材是____________________________．(2)需要直接测量的数据是__________．(3)用所得数据验证动量守恒的关系式是_______________．答案：(1)刻度尺、天平(2)两木块的质量m1、m2和两木块落地点分别到桌子两侧边的水平距离x1、x2(3)m1x1＝m2x227282930【真题再现】313233