（江苏专用）2020版高考物理总复习 第十一章 动量守恒定律 实验十 验证动量守恒定律课件（选修3-

实验十验证动量守恒定律图11.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。方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验(如图1所示)图21.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。方案二：利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验(如图2所示)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。图31.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。方案三：在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验(如图3所示)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。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。图41.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：按照图4所示安装实验装置。调整固定斜槽使斜槽底端水平。方案四：利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律(如图4所示)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5所示。图5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等。(2)偶然误差：主要来源于质量m和速度v的测量。注意事项(1)碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。(2)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。(3)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平面内。(4)若利用长木板进行实验，可在长木板下垫一个小木片以平衡摩擦力。(5)若利用斜槽进行实验，入射球质量m1要大于被碰球质量m2，即m1m2，防止碰后m1被反弹，且两球半径r1＝r2＝r。热点一实验原理与实验操作【例1】(2019·兴化五校联考)如图6为“碰撞中的动量守恒”实验装置示意图。(1)(多选)在验证动量守恒定律的实验中，必须要求的条件是：________。A.轨道是光滑的B.轨道末端的切线是水平的C.碰撞的瞬间m1和m2球心连线与轨道末端的切线平行D.每次m1都要从同一高度静止滚下(2)入射小球m1与被碰小球m2直径相同，它们的质量相比较，应是m1________m2。(3)(多选)实验时，小球的落点分别如图7的M、N、P点，应该比较下列哪两组数值在误差范围内相等，从而验证动量守恒定律：________。(4)在做此实验时，若某次实验得出小球的落点情况如图7所示。假设碰撞中动量守恒，则入射小球质量m1和被碰小球质量m2之比m1∶m2＝________。A.m1·OP——B.m1·OM——C.m1·ON——D.m1·OM——＋m2·ON——E.m1·OP——＋m2·ON——F.m1·OM——＋m2·OP——解析(1)“验证动量守恒定律”的实验中，是通过平抛运动的基本规律求解碰撞前后的速度的，只要离开轨道后做平抛运动，对斜槽是否光滑没有要求，故A项错误；要保证每次小球都做平抛运动，则轨道的末端必须水平，故B项正确；为保证两球发生对心正碰，碰撞后小球做平抛运动，碰撞的瞬间m1和m2球心连线与轨道末端的切线平行，故C项正确；要保证碰撞前的速度相同，所以入射球每次都要从同一高度由静止滚下，故D项正确。(2)为防止两球碰撞后入射球反弹，入射球的质量应大于被碰球的质量，即m1大于m2。答案(1)BCD(2)大于(3)AD(4)4∶1(3)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，如果碰撞过程动量守恒，则m1v1＝m1v1′＋m2v2′，两边同时乘以t得m1v1t＝m1v1′t＋m2v2′t，m1OP——＝m1OM——＋m2ON——，因此比较A、D两组数值在误差范围内相等，从而验证动量守恒定律。(4)由(3)可知，如果两球碰撞过程动量守恒，则：m1OP——＝m1OM——＋m2ON——，代入数据求得m1∶m2＝4∶1。图8热点二数据处理与分析【例2】现利用图8(a)所示的装置验证动量守恒定律。在图(a)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(b)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为式中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v＝ΔsΔt①ΔtA＝1f＝0.02s②ΔtA可视为很短。设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B在碰撞后的速度大小为v2，由①式有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v2＝dΔtB⑤δp＝|p－p′p|×100%⑨联立③④⑥⑦⑧⑨式并代入有关数据，得δp＝1.7%5%⑩因此，本实验在允许的误差范围内验证了动量守恒定律。答案见解析热点三实验的改进与创新【例3】如图9是用来验证动量守恒的实验装置，弹性球1用细线悬挂于O点，O点下方桌子的边缘有一竖直立柱。实验时，调节悬点，使弹性球1静止时恰与立柱上的球2接触且两球等高。将球1拉到A点，并使之静止，同时把球2放在立柱上。释放球1，当它摆到悬点正下方时与球2发生对心碰撞，碰后球1向左最远可摆到B点，球2落到水平地面上的C点。测出有关数据即可验证1、2两球碰撞时动量守恒。现已测出A点离水平桌面的距离为a，B点离水平桌面的距离为b，C点与桌子边沿间的水平距离为c。此外：图9(1)还需要测量的量是______________、______________和________________。(2)根据测量的数据，该实验中动量守恒的表达式为_______________________________________________________________________________________________。(忽略小球的大小)解析(1)要验证动量守恒必须知道两球碰撞前、后的动量变化，根据弹性球1碰撞前、后的高度a和b，由机械能守恒可以求出碰撞前、后的速度，故只要再测量弹性球1的质量m1，就能求出弹性球1的动量变化；根据平抛运动的规律只要测出立柱高h和桌面离水平地面的高度H就可以求出弹性球2碰撞前、后的速度变化，故只要测量弹性球2的质量m2和立柱高h、桌面离水平地面的高度H就能求出弹性球2的动量变化。(2)1小球从A处下摆和上升到最高点的过程中，机械能守恒，则有m1g(a－h)＝12m1v21m1g(b－h)＝12m1v22所以该实验中动量守恒的表达式为m1v1＝m2v3＋m1v2，解之得v1＝2g（a－h），v2＝2g（b－h）碰撞后小球2做平抛运动，t＝2（H＋h）g，所以2球碰后的速度v3＝xt＝c2（H＋h）g整理得2m1a－h＝2m1b－h＋m2cH＋h答案(1)弹性球1、2的质量m1、m2立柱高h桌面离水平地面的高度H(2)2m1a－h＝2m1b－h＋m2cH＋h