（新课标）2020年高考物理一轮总复习 实验七 验证动量守恒定律课件

实验探究课实验七验证动量守恒定律实验解读·核心探究实验热点·各个击破栏目导航随堂练·知能提升[实验目的]1．会用实验装置测速度或用其他物理量表示物体的速度大小．2．验证在系统不受外力的作用下，系统内物体相互作用时总动量守恒．[实验原理]在一维碰撞中，测出物体的质量和碰撞前、后物体的速度，算出碰撞前的动量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的动量p′＝m1v1′＋m2v2′，看碰撞前后动量是否相等．[实验器材]斜槽、小球(两个)、天平、直尺、复写纸、白纸、圆规等．[实验步骤]1．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．按照实验原理图甲安装实验装置．调整、固定斜槽使斜槽底端水平．3．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．不放被撞小球，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小球所有的落点都圈在里面．圆心P就是小球落点的平均位置．5．把被撞小球放在斜槽末端，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.如实验原理图乙所示．6．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m1OP＝m1OM＋m2ON，看在误差允许的范围内是否成立．7．整理好实验器材放回原处．8．实验结论：在实验误差允许范围内，碰撞系统的动量守恒．[数据处理]验证表达式：m1·OP＝m1·OM＋m2·ON[注意事项]1．斜槽末端的切线必须水平；2．入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放；3．选质量较大的小球作为入射小球；4．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．[误差分析]1．系统误差(1)斜槽末端不水平；(2)入射小球与被碰小球是否正碰．2．偶然误差(1)入射小球不从同一高度静止释放．(2)小球落点的确定．热点一实验原理与操作[典例1]某同学用如图所示的装置做验证动量守恒定律的实验，先将a球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；再把同样大小的b球放在斜槽轨道水平段的最右端上，让a球仍从固定点由静止开始滚下，和b球相碰后，两球分别落在记录纸的不同位置处，重复10次．(1)本实验必须测量的物理量有．A．斜槽轨道末端距水平地面的高度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OA、OB、OCF．a球的固定释放点到斜槽轨道末端水平部分间的高度差h(2)放上被碰小球b，两球(mamb)相碰后，小球a、b的落地点依次是图中水平面上的点和点．(3)某同学在做实验时，测量了过程中的各个物理量，利用上述数据验证碰撞中的动量守恒，那么判断的依据是看和在误差允许范围内是否相等．解析：(1)B点是不发生碰撞时a球的落地点，A点是发生碰撞后a球的落地点，C点是碰后b球的落地点．设小球a运动到轨道末端时的速度大小为vB，与球b发生碰撞后的瞬时速度大小为vA，碰后b球的速度大小为vC，本实验就是要验证关系式mavB＝mavA＋mbvC是否成立，因为小球做平抛运动的高度相同，下落时间相同，它们在水平方向上的位移与水平方向上的速度成正比，所以本实验也可以验证ma·OB＝ma·OA＋mb·OC是否成立，B、E正确．(2)两球碰撞后，a球在水平方向上的分速度较小，下落时间相同时，落地时的水平位移也较小，所以小球a、b的落地点依次是图中水平面上的A点和C点．(3)根据(1)的分析，判断两球碰撞过程中的动量是否守恒的依据是看ma·OB和ma·OA＋mb·OC在误差允许范围内是否相等．答案：(1)BE(2)AC(3)ma·OBma·OA＋mb·OC1．在“验证动量守恒定律”的实验中，已有的实验器材有：斜槽轨道，大小相等质量不同的小钢球两个，重锤线一条，白纸，复写纸，圆规．实验装置及实验中小球运动轨迹及落点的情况简图如图所示．试根据实验要求完成下列填空：(1)实验前，轨道的调节应注意．(2)实验中重复多次让a球从斜槽上释放，应特别注意．(3)实验中还缺少的测量器材有．(4)实验中需测量的物理量是．(5)若该碰撞过程中动量守恒，则一定有关系式成立．解析：(1)由于要保证两物体发生弹性碰撞后做平抛运动，即初速度沿水平方向，所以必须保证槽的末端的切线是水平的．(2)由于实验要重复进行多次以确定同一个弹性碰撞后两小球的落点的确切位置，所以每次碰撞前入射球a的速度必须相同，根据mgh＝12mv2可得v＝2gh，所以每次必须让a球从同一高处由静止释放．(3)要验证mav0＝mav1＋mbv2，由于碰撞前后入射球和靶球从同一高度同时做平抛运动，根据h＝12gt2可得两球做平抛运动的时间相同，故可验证mav0t＝mav1t＋mbv2t，而v0t＝OP，v1t＝OM，v2t＝ON，故只需验证maOP＝maOM＋mbON，所以要测量a球的质量ma和b球的质量mb，故需要天平；要测量两物体平抛时水平方向的位移即线段OP、OM和ON的长度，故需要刻度尺．(4)由(3)的解析可知实验中需测量的物理量是a球的质量ma和b球的质量mb，线段OP、OM和ON的长度．(5)由(3)的解析可知若该碰撞过程中动量守恒，则一定有关系式maOP＝maOM＋mbON.答案：(1)使斜槽的末端的切线水平(2)让a球从同一高处由静止释放(3)天平、刻度尺(4)a球的质量ma和b球的质量mb，线段OP、OM和ON的长度(5)maOP＝maOM＋mbON热点二实验数据处理[典例2](2018·浙江11月物理选考)小明做“探究碰撞中的不变量”实验的装置如图甲所示，悬挂在O点的单摆由长为l的细线和直径为d的小球A组成，小球A与放置在光滑支撑杆上的直径相同的小球B发生对心碰撞，碰后小球A继续摆动，小球B做平抛运动．(1)小明用游标卡尺测小球A直径如图乙所示，则d＝mm.又测得了小球A质量m1，细线长度l，碰撞前小球A拉起的角度α和碰撞后小球B做平抛运动的水平位移x、竖直下落高度h.为完成实验，还需要测量的物理量有：.(2)若A、B两球碰后粘在一起形成新单摆，其周期_(选填“小于”“等于”或“大于”)粘合前单摆的周期(摆角小于5°)．解析：(1)球的直径为d＝14mm＋120×8mm＝14.40mm；根据机械能守恒定律由m1gl(1－cosα)＝12m1v21可得碰撞前瞬间球A的速度，碰撞后仍可根据机械能守恒定律计算小球A的速度，所以需要测量小球A碰后摆动的最大角β；小球B碰撞后做平抛运动，根据平抛运动规律可得小球B的速度，要求B的动量所以需要测量小球B的质量m2；(2)粘在一起后，球的重心发生变化，如图所示，摆长变长，故根据单摆周期T＝2πLg可得周期变大．答案：(1)14.40小球B质量m2，碰后小球A摆动的最大角β(2)大于2．如图所示，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多次从斜轨上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开始释放的高度hC．测量抛出点距地面的高度HD．分别找到m1、m2相碰后落地点的平均位置M、NE．测量平抛射程OM、ON(3)经测定，m1＝45.0g，m2＝7.5g，小球落地点的平均位置距O点的距离如图所示．碰撞前、后m1的动量分别为p1与p1′，则p1∶p1′＝∶11；若碰撞结束时m2的动量为p2′，则p1′∶p2′＝11∶.实验结果表明，碰撞前、后总动量的比值p1p1′＋p2′为(结果保留三位有效数字)．解析：(1)小球离开轨道后做平抛运动，小球抛出的高度相同，故它们在空中的运动时间t相等，水平位移x＝v0t，即水平位移与初速度成正比，故实验中不需要测量时间，也就不需要测量桌面的高度H，只需要测量小球做平抛运动的射程，C正确．(2)小球离开轨道后做平抛运动，小球抛出点的高度相同，故它们在空中的运动时间t相等，由水平位移x＝v0t，知v0＝OPt，v1＝OMt，v2＝ONt，由动量守恒定律知m1v0＝m1v1＋m2v2，将速度表达式代入得m1OPt＝m1OMt＋m2ONt，即m1OP＝m1OM＋m2ON，故要完成的必要步骤是ADE.(3)碰撞前、后m1的动量分别为p1与p1′，由题意知p1＝m1v0＝m1OPt，p1′＝m1v1＝m1OMt，故p1∶p1′＝OP∶OM＝44.80∶35.20＝14∶11；若碰撞结束时m2的动量为p2′，p2′＝m2v2＝m2ONt，故p1′∶p2′＝m1OM]∶m2ON＝11∶2.9，碰撞前、后总动量的比值p1p1′＋p2′＝m1OPm1OM＋m2ON＝1.01.答案：(1)C(2)ADE(3)142.91.01热点三实验创新设计验证动量守恒定律的方法很多，可以用气垫导轨还可以用等长悬线悬挂等大的小球完成，用斜槽验证动量守恒定律是本实验主要的考查方式，一般考查实验步骤、动量守恒定律的表达式及实验的注意事项．创新点一实验器材的创新[典例3](1)利用气垫导轨通过闪光照相进行“探究碰撞中的不变量”这一实验．实验要求研究两滑块碰撞时动能损失很小和很大等各种情况，若要求碰撞时动能损失最大应选下图中的(填“甲”或“乙”)，若要求碰撞动能损失最小则应选下图中的(填“甲”或“乙”)．(甲图两滑块分别装有弹性圈，乙图两滑块分别装有撞针和橡皮泥)(2)某次实验时碰撞前B滑块静止，A滑块匀速向B滑块运动并发生碰撞，利用闪光照相的方法连续4次拍摄得到的闪光照片如图丙所示，已知相邻两次闪光的时间间隔为T，在这4次闪光的过程中，A、B两滑块均在0～80cm范围内，且第1次闪光时，滑块A恰好位于x＝10cm处．若A、B两滑块的碰撞时间及闪光持续的时间极短，均可忽略不计，则可知碰撞发生在第1次闪光后的时刻，A、B两滑块质量比mA∶mB＝.解析：(1)若要求碰撞时动能损失最大，则需两物体碰撞后结合在一起，故应选图中的乙；若要求碰撞时动能损失最小，则应使两物体发生完全弹性碰撞，即选图中的甲．(2)由图可知，第1次闪光时，滑块A恰好位于x＝10cm处，第二次A在x＝30cm处，第三次A在x＝50cm处，碰撞在x＝60cm处，从第三次闪光到碰撞的时间为T2，则可知碰撞发生在第1次闪光后的2.5T时刻．设碰前A的速度为v，则碰后A的速度为v2，B的速度为v，根据动量守恒定律可得mAv＝－mA·v2＋mB·v，解得mAmB＝23.答案：(1)乙甲(2)2.5T2∶3创新点二实验原理的创新[典例4]某同学利用如图所示的装置验证动量守恒定律．图中两摆摆长相同，悬挂于同一高度，A、B两摆球均很小，质量之比为1∶2.当两摆球均处于自由静止状态时，其侧面刚好接触．向右上方拉动B球使其摆线伸直并与竖直方向成45°角，然后将其由静止释放．结果观察到两摆球粘在一起摆动，且最大摆角为30°.若本实验允许的最大误差为±4%，此实验是否成功地验证了动量守恒定律？解析：设摆球A、B的质量分别为mA、mB，摆长为l，B球的初始高度为h1，碰撞前B球的速度为vB.在不考虑摆线质量的情况下，根据题意及机械能守恒定律得h1＝l(1－cos45°)①12mBv2B＝mBgh1②设碰撞前、后两摆球的总动量的大小分别为p1、p2.有p1＝mBvB③联立①②③式得p1＝mB2gl1－cos45°.同理可得p2＝(mA＋mB)2gl1－cos30°.则有p2p1＝mA＋mBmB1－cos3