版高考复习实验16《验证动量守恒定律》教学案含答案.docx

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版高考复习实验16《验证动量守恒定律》教学案含答案

实验十六验证动量守恒定律

　　　　前期准备·明确原理——知原理抓住关键

【实验目的】

验证碰撞中的动量守恒。

【实验原理】

在一维碰撞中，测出相碰的两物体的质量m1和m2及碰撞前、后物体的速度v1、v2及v′1、v′2，找出碰撞前的动量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的动量p′＝m1v′1＋m2v′2，看碰撞前、后动量是否守恒。

【实验器材】

方案一：

利用气垫导轨完成一维碰撞实验

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：

在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验

光滑长木板、打点计时器、纸带、小车（两个）、天平、撞针、橡皮泥。

方案三：

利用等大小球做平抛运动完成一维碰撞实验

斜槽、大小相等质量不同的小球两个、重锤线一条、白纸、复写纸、天平、刻度尺、圆规、三角板。

　　　　再现实验·重视过程——看过程注重数据

【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，如图所示。

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：

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，如图所示。

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。

4．测速度：

通过纸带上两计数点间的距离及时间由v＝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。

方案三：

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。

2．按如图所示安装好实验装置，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．在白纸上记下重锤线所指的位置O，它表示入射球m1碰前的位置。

5．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，圆心就是入射小球发生碰撞前的落地点P。

6．把被碰小球放在斜槽的末端，让入射小球从同一高度滚下，使它发生正碰，重复10次，仿上一步骤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。

8．用刻度尺量出线段OM、OP、ON的长度。

【数据处理】

方案一：

滑块速度的测量：

v＝，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。

方案二：

小车速度的测量：

v＝，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。

方案三：

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。

【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，两摆球是否等大，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。

【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。

（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。

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。

　　　　剖析考点·瞄准热点——析考点强化认识

考点一

实验原理、操作与误差

[典题1]　（2016·徐州模拟）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、D的气垫导轨和滑块A、B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：

a．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的左端至挡板C的距离L1；

e．按下电钮放开卡销，同时分别记录滑块A、B运动时间的计时器开始工作，当A、B滑块分别碰撞挡板C、D时计时结束，记下A、B分别到达C、D的运动时间t1和t2。

（1）实验中还应测量的物理量及其符号是________________________________。

（2）作用前A、B两滑块质量与速度乘积之和为________；作用后A、B两滑块质量与速度乘积之和为________。

（3）作用前、后A、B两滑块质量与速度乘积之和并不完全相等，产生误差的原因有___________________________________________________（至少答出两点）。

[解析]　A、B两滑块被压缩的弹簧弹开后，在气垫导轨上运动时可视为匀速运动，因此只要测出A与C的距离L1、B与D的距离L2及A到C、B到D的时间t1和t2，测出两滑块的质量，就可以探究碰撞中的不变量。

（1）实验中还应测量的物理量为B的右端至挡板D的距离L2。

（2）设向左为正方向，根据所测数据求得两滑块的速度分别为vA＝，vB＝－。

碰前两滑块静止，即v＝0，质量与速度乘积之和为零，碰后两滑块的质量与速度乘积之和为mAvA＋mBvB＝mA－mB。

（3）产生误差的原因：

①L1、L2、t1、t2、mA、mB的数据测量误差；

②没有考虑弹簧推动滑块的加速过程；

③滑块并不是做标准的匀速直线运动，滑块与导轨间有少许摩擦力；

④气垫导轨不完全水平。

[答案]　

（1）B的右端至挡板D的距离L2　

（2）0　mA－mB　（3）见解析

1．把两个大小相同、质量不等的金属球用细线连接起来，中间夹一被压缩了的轻弹簧，置于摩擦可以忽略不计的水平桌面上，如图所示，现烧断细线，观察两球的运动情况，进行必要的测量，探究物体间发生相互作用时的不变量。

测量过程中：

（1）还必须添加的器材有__________________________________________。

（2）需直接测量的数据是__________________________________________。

（3）需要验算的表达式如何表示？

_________________________________。

解析：

本实验是在“探究物体间发生相互作用时的不变量”时，为了确定物体速度的方法进行的迁移。

两球弹开后，分别以不同的速度离开桌面做平抛运动，两球做平抛运动的时间相等，均为t＝（h为桌面离地的高度）。

根据平抛运动规律，由两球落地点距抛出点的水平距离x＝vt，知两物体水平速度之比等于它们的射程之比。

即v1∶v2＝x1∶x2；所以本实验中只需测量x1、x2即可，测量x1、x2时需准确记下两球落地点位置，故需要刻度尺、白纸、复写纸、图钉、细线、铅锤、木板等。

若要探究m1x1＝m2x2或者m1x＝m2x或者＝是否成立，还需用天平测量两球质量m1、m2。

答案：

（1）刻度尺、白纸、复写纸、图钉、细线、铅锤、木板、天平　

（2）两物体的质量m1、m2，水平射程x1、x2　（3）m1x1＝m2x2

2．（2016·南宁模拟）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，所以必需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的速度必需相同，根据mgh＝mv2可得v＝，所以每次必需让a球从同一高处静止释放滚下。

（3）要验证mav0＝mav1＋mbvb，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＝gt2可得两球做平抛运动的时间相同，故可验证mav0t＝mav1t＋mbvbt，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）槽的末端的切线是水平的　

（2）让a球从同一高处静止释放滚下　（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

3．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，使滑块稳定地飘浮在导轨上，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。

（1）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向气垫导轨空腔内通入压缩空气；

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；

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，选出理想的纸带如图乙所示；

⑧测得滑块1的质量为310g，滑块2（包括橡皮泥）的质量为205g。

完善实验步骤⑥的内容。

（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以前系统的总动量为________kg·m/s；两滑块相互作用以后系统的总动量为________kg·m/s（保留三位有效数字）。

（3）试说明

（2）中两结果不完全相等的主要原因是__________