学年高中物理第十六章运量守恒定律第1节实验探究碰撞中的不变量教师用书.docx

上传人:b****5 文档编号:7995964 上传时间:2023-01-27 格式:DOCX 页数:13 大小:138.46KB
下载 相关 举报
学年高中物理第十六章运量守恒定律第1节实验探究碰撞中的不变量教师用书.docx_第1页
第1页 / 共13页
学年高中物理第十六章运量守恒定律第1节实验探究碰撞中的不变量教师用书.docx_第2页
第2页 / 共13页
学年高中物理第十六章运量守恒定律第1节实验探究碰撞中的不变量教师用书.docx_第3页
第3页 / 共13页
学年高中物理第十六章运量守恒定律第1节实验探究碰撞中的不变量教师用书.docx_第4页
第4页 / 共13页
学年高中物理第十六章运量守恒定律第1节实验探究碰撞中的不变量教师用书.docx_第5页
第5页 / 共13页
点击查看更多>>
下载资源
资源描述

学年高中物理第十六章运量守恒定律第1节实验探究碰撞中的不变量教师用书.docx

《学年高中物理第十六章运量守恒定律第1节实验探究碰撞中的不变量教师用书.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《学年高中物理第十六章运量守恒定律第1节实验探究碰撞中的不变量教师用书.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。

学年高中物理第十六章运量守恒定律第1节实验探究碰撞中的不变量教师用书.docx

学年高中物理第十六章运量守恒定律第1节实验探究碰撞中的不变量教师用书

第1节 实验:

探究碰撞中的不变量

一、实验目的

1.明确探究碰撞中的不变量的基本思路.

2.探究一维碰撞中的不变量.

二、实验原理

1.探究思路

(1)一维碰撞:

两个物体碰撞前沿同一直线运动,碰撞后仍沿这一直线运动,这种碰撞叫做一维碰撞.

(2)追寻不变量:

在一维碰撞的情况下,设两个物体的质量分别为m1、m2,碰撞前的速度分别为v1、v2,碰撞后的速度分别为v′1、v′2,如果速度与我们规定的正方向一致,取正值.相反取负值,依次研究以下关系是否成立:

①m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2;

②m1v

+m2v

=m1v′

+m2v′

.

探究以上各关系式是否成立,关键是准确测量和计算碰撞前与碰撞后的速度v1、v2、v′1、v′2.

2.实验方案

方案一 利用小车在光滑桌面上碰撞另一静止小车实现一维碰撞,两小车碰撞端分别装上撞针和橡皮泥.实验装置如图所示.

(1)质量的测量:

用天平测量质量.

(2)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所用的时间,可由打点间隔算出.这个方案适合探究碰撞后两物体结合为一体的情况.

方案二 

利用等长悬线悬挂等大的小球实现一维碰撞,实验装置如图所示.

(1)质量的测量:

用天平测量质量.

(2)速度的测量:

可以测量小球被拉起的角度,根据机械能守恒定律算出小球碰撞前对应的速度;测量碰撞后两小球分别摆起的对应角度,根据机械能守恒定律算出碰撞后对应的两小球的速度.

(3)不同碰撞情况的实现:

用贴胶布的方法增大两小球碰撞时的能量损失.

方案三 利用气垫导轨实现一维碰撞,实验装置如图所示.

(1)质量的测量:

用天平测量质量.

(2)速度的测量:

利用公式v=

,式中Δx为滑块挡光片的宽度,Δt为数字计时器显示的滑块挡光片经过光电门对应的时间.

(3)利用在滑块上增加重物的方法改变碰撞物体的质量.

(4)实验方法

①用细线将弹簧片压缩,放置于两个滑块之间,并使它们静止,然后烧断细线,弹簧片弹开后落下,两个滑块随即向相反方向运动(图甲).

②在两滑块相碰的端面装上弹性碰撞架(图乙)可以得到能量损失很小的碰撞.

③在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥,碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两个滑块连成一体运动(图丙),这样可以得到能量损失很大的碰撞.

方案四 利用斜槽实现两小球的一维碰撞,如图甲所示.让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来,与放在斜槽前边小支柱上的另一质量较小的球发生碰撞,之后两小球都做平抛运动.

(1)质量的测量:

用天平测量质量.

(2)速度的测量:

由于两小球下落的高度相同,所以它们的飞行时间相等.如果用小球的飞行时间作时间单位,那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平速度.因此,只需测出两小球的质量m1、m2和不放被碰小球时入射小球在空中飞出的水平距离s1,以及碰撞后入射小球与被碰小球在空中飞出的水平距离s′1和s′2.若在实验误差允许的范围内m1s1与m1s′1+m2s′2相等,就验证了两个小球碰撞前后的不变量.

(3)让小球从斜槽的不同高度处开始滚动,进行多次实验.

三、实验步骤

不论哪种方案,实验过程均可按实验方案合理安排,参考步骤如下:

1.用天平测出相关质量.

2.安装实验装置.

3.使物体发生一维碰撞,测量或读出相关物理量,计算相关速度.

4.改变碰撞条件,重复实验.

5.通过数据分析处理,找出碰撞中的不变量.

6.整理器材,结束实验.

四、数据处理与误差分析

1.实验数据的处理

为了探究碰撞中的不变量,将实验中测得的物理量填入如下表格,然后探究不变量.

碰撞前

碰撞后

质量

m1

m2

m1

m2

速度

v1

v2

v′1

v′2

mv

m1v1+m2v2

m1v′1+m2v′2

mv2

m1v

+m2v

m1v′

+m2v′

从表中所列的三个关系中,找出碰撞前和碰撞后守恒的量.

2.实验结论

经过验证后可知,在误差允许的范围内,碰撞前后不变的量是物体的质量与速度乘积之和,即

m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2.

3.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实验中是否合理控制实验条件,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:

主要来源于对质量m和速度v的测量.

五、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平面内.

(3)若利用长木板进行实验,可在长木板的一端下垫一小木片用以平衡摩擦力.

3.探究结论:

碰撞有很多情形,寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变.

 实验原理及注意事项

 如图所示,在实验室用两端带竖直挡板C、D的气垫导轨和有固定挡板的质量都是M的滑块A、B做“探究碰撞中的不变量”的实验:

①把两滑块A和B紧贴在一起,在A上放质量为m的砝码,置于导轨上,用电动卡销卡住A和B,在与A和B的固定挡板间放一弹簧,使弹簧处于水平方向上的压缩状态.

②按下电钮使电动卡销放开,同时启动两个记录两滑块运动时间的电子计时器,当A和B与挡板C和D碰撞时,电子计时器自动停表,记下A至C运动时间t1、B至D运动时间t2.

③重复几次,取t1、t2的平均值.

请回答以下几个问题:

(1)在调整气垫导轨时应注意

________________________________________________________________________;

(2)应测量的数据还有

________________________________________________________________________;

(3)碰撞前A、B两滑块的速度与质量乘积之和为

________________________________________________________________________,

碰撞后A、B两滑块的速度与质量乘积之和为

________________________________________________________________________.

[解析] 

(1)为了保证滑块A、B作用后做匀速直线运动,必须使气垫导轨水平,需要用水平仪加以调试.

(2)要求出A、B两滑块在卡销放开后的速度,需测出A至C的时间t1和B至D的时间t2,并且要测量出两滑块到挡板的距离L1和L2,再由公式v=

求出其速度.

(3)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=-

.碰前两物体静止,v=0,速度与质量乘积之和为0,碰后两滑块的速度与质量乘积之和为(M+m)

-M

.

[答案] 

(1)用水平仪调整气垫导轨使其水平 

(2)A至C的距离L1、B至D的距离L2

(3)0 (M+m)

-M

(1)为保证两个物体做一维碰撞,常用斜槽、气垫导轨等控制物体的运动.

(2)速度的测量要方便和精确:

可利用光电门、打点计时器、电子计时器、闪光照片等手段,也可利用匀速运动、平抛运动等间接测量.

 实验数据的处理

 如图所示为气垫导轨上两个滑块A、B相互作用后运动过程的频闪照片,频闪的频率为10Hz.开始时两个滑块静止,它们之间有一根被压缩的轻弹簧,滑块用绳子连接,绳子烧断后,两个滑块向相反方向运动.已知滑块A、B的质量分别为200g、300g,根据照片记录的信息,A、B离开弹簧后,A滑块做________运动,其速度大小为________m/s,本实验中得出的结论是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

[解析] 由题图可知,A、B离开弹簧后,均做匀速直线运动,开始时vA=0,vB=0,A、B被弹开后,

vA′=0.09m/s,vB′=0.06m/s,

mAvA′=0.2×0.09kg·m/s=0.018kg·m/s

mBvB′=0.3×0.06kg·m/s=0.018kg·m/s

由此可得:

mAvA′=mBvB′,

即0=mBvB′-mAvA′

结论:

两滑块组成的系统在相互作用过程中质量与速度乘积的矢量和守恒.

[答案] 匀速直线 0.09 两滑块组成的系统在相互作用过程中质量与速度乘积的矢量和守恒

 某同学设计如图甲所示的装置,通过半径相同的A、B两球的碰撞来探究碰撞过程中的不变量,图中PQ是斜槽,QR为水平槽,实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下,落到位于水平地面的记录纸上,留下痕迹.重复上述操作10次,得到10个落点痕迹,再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方,让A球仍从位置G由静止开始滚下,和B球碰撞后,A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹,重复这种操作10次.图中O点是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点,B球落点痕迹如图乙所示,其中米尺水平放置,且平行于G、R、O所在的平面,米尺的零点与O点对齐.

(1)碰撞后B球的水平射程是________cm.

(2)在以下四个选项中,本次实验必须进行的测量是________. 

A.水平槽上未放B球时,A球落点位置到O点的距离

B.A球与B球碰撞后,A、B两球落点位置到O点的距离

C.A、B两球的质量

D.G点相对于水平槽面的高度

(3)若本实验中测量出未放B球时A球落点位置到O点的距离为xA,碰撞后A、B两球落点位置到O点的距离分别为xA′、xB′,已知A、B两球半径均为r,则通过式子________________即可验证A、B两球碰撞中的不变量.

[解析] 

(1)由于偶然因素的存在,重复操作时小球的落点不可能完全重合(如题图乙所示),处理的办法是用一个尽可能小的圆将“所有落点位置”包括在内(其中误差较大的位置可略去),此圆的圆心即可看做小球10次落点的平均位置,则碰撞后B球的水平射程等于圆心到O点的距离,由题图乙可得此射程约为64.7cm.

(2)由于A、B离开水平槽末端后均做平抛运动,平抛高度相同,运动时间相等,因此可以用平抛运动的水平位移表示小球做平抛运动的初速度,没有必要测量G点相对于水平槽面的高度,故A、B均正确,D错误;要验证碰撞前后守恒的量,必须测量A、B两球的质量,C正确.

(3)依题意知,碰撞前A球做平抛运动的水平位移xA,碰撞后A、B做平抛运动的水平位移分别为xA′、xB′,由于碰撞前、后两球做平抛运动的时间相等,因此通过式子mAxA=mAxA′+mBxB′即可验证A、B两球碰撞中的不变量.

[答案] 

(1)64.7(64.2~65.2均可) 

(2)ABC

(3)mAxA=mAxA′+mBxB′

 

(1)本题是利用平抛运动规律的水平射程替代小球的速度进行探究,而不必计算出小球的速度值,使数据处理大为简便.

(2)本实验在操作中应注意:

入射小球的质量必须大于被碰小球的质量;入射小球每次应从同一位置自由释放;斜槽末端的切线保持水平.

1.(多选)在利用气垫导轨探究碰撞中的不变量实验中,哪些因素可导致实验误差(  )

A.导轨安放不水平

B.小车上挡光板倾斜

C.两小车质量不相等

D.两小车碰后连在一起

解析:

选AB.选项A中,导轨不水平,小车速度将受重力的影响,从而导致实验误差;选项B中,挡光板倾斜会导致挡光板宽度不等于挡光阶段小车通过的位移,使计算速度出现误差,所以答案应为A、B.

2.(多选)在做利用悬线悬挂等大的小球探究碰撞中的不变量的实验中,下列说法正确的是(  )

A.悬挂两球的细线长度要适当且等长

B.由静止释放小球以便较准确地计算小球碰前的速度

C.两小球必须都是刚性球且质量相同

D.两小球碰后可以粘合在一起共同运动

解析:

选ABD.两线等长能保证两球正碰,也就是对心碰撞,以减小实验误差,所以A正确.由于计算碰撞前速度时用到了mgh=

mv2-0,即初速度为0时碰前的速度为v=

,B正确.本实验中对小球的材质性能无要求,C错误.两球正碰后,有各种运动情况,所以D正确.

3.(多选)在用打点计时器做“探究碰撞中的不变量”实验时,下列哪些操作是正确的(  )

A.相互作用的两车上,一个装上撞针,一个装上橡皮泥,是为了改变两车的质量

B.相互作用的两车上,一个装上撞针,一个装上橡皮泥,是为了碰撞后粘在一起

C.先接通打点计时器的电源,再释放拖动纸带的小车

D.先释放拖动纸带的小车,再接通打点计时器的电源

解析:

选BC.车的质量可以用天平测量,没有必要一个用撞针而另一个用橡皮泥配重.这样做的目的是为了碰撞后两车粘在一起有共同速度,选项B正确;打点计时器的使用原则是先接通电源,C项正确.

4.在利用平抛运动做“探究碰撞中的不变量”实验中,安装斜槽轨道时,应让斜槽末端的切线保持水平,这样做的目的是(  )

A.入射球得到较大的速度

B.入射球与被碰球对心碰撞后速度均为水平方向

C.入射球与被碰球碰撞时动能无损失

D.入射球与被碰球碰撞后均能从同一高度飞出

解析:

选B.实验中小球能水平飞出是实验成功的关键,只有这样才能使两个小球在空中运动时间相等.

5.“探究碰撞中的不变量”的实验中,入射小球质量m1=15g,原来静止的被碰小球质量m2=10g,由实验测得它们在碰撞前后的x-t图象如图所示,由图可知,入射小球碰撞前的m1v1是________,入射小球碰撞后的m1v′1是________,被碰小球碰撞后的m2v′2是________.由此得出结论

________________________________________________________________________.

解析:

由题图可知碰撞前m1的速度大小

v1=

m/s=1m/s

故碰撞前的m1v1=0.015×1kg·m/s=0.015kg·m/s

碰撞后m1的速度大小v′1=

m/s=0.5m/s

m2的速度大小v′2=

m/s=0.75m/s

故m1v′1=0.015×0.5kg·m/s=0.0075kg·m/s

m2v′2=0.01×0.75kg·m/s=0.0075kg·m/s

可知m1v1=m1v′1+m2v′2.

答案:

0.015kg·m/s 0.0075kg·m/s

0.0075kg·m/s 碰撞中mv的矢量和是守恒的量

6.用如图所示的装置可以完成“探究碰撞中的不变量”实验.

(1)若实验中选取的A、B两球半径相同,为了使A、B发生一维碰撞,应使两球悬线长度________,悬点O1、O2之间的距离等于________.

(2)若A、B两球的半径不相同,利用本装置能否完成实验?

如果你认为能完成,请说明如何调节?

解析:

(1)为了保证一维碰撞,碰撞点应与两球在同一条水平线上.故两球悬线长度相等,O1、O2之间的距离等于球的直径.

(2)如果两球的半径不相等,也可完成实验.调整装置时,应使O1、O2之间的距离等于两球的半径之和,两球静止时,球心在同一水平高度上.

答案:

(1)相等 球的直径 

(2)见解析

7.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

________________________________________________________________________.

解析:

两球被弹开后,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=v·t,知两物体水平速度之比等于它们的射程之比,即v1∶v2=x1∶x2,因此本实验中只需测量x1、x2即可.测量x1、x2时需准确记下两球落地点的位置,故需要直尺、纸、复写纸、图钉、细线、铅锤和木板等.若要探究m1x1=m2x2或m1x

=m2x

是否成立,还需要用天平测量两球的质量m1、m2.

答案:

(1)直尺、纸、复写纸、图钉、细线、铅锤、木板、天平

(2)两球的质量m1、m2以及它们做平抛运动的射程x1、x2

8.(2016·宁波高二检测)某同学设计了一个用打点计时器探究碰撞过程中不变量的实验:

在小车甲的前端粘有橡皮泥,推动小车甲使之做匀速直线运动.然后与原来静止在前方的小车乙相碰并粘合成一体,而后两车继续做匀速直线运动,他设计的具体装置如图所示.在小车甲后连着纸带,打点计时器打点频率为50Hz,长木板下垫着小木片用以平衡摩擦力.

(1)若已得到打点纸带如图所示,并测得各计数点间距并标在图上,A为运动起始的第一点,则应选________段计算小车甲的碰前速度,应选________段来计算小车甲和乙碰后的共同速度(以上两空选填“AB”“BC”“CD”或“DE”).

(2)已测得小车甲的质量m甲=0.40kg,小车乙的质量m乙=0.20kg,由以上测量结果可得:

碰前m甲v甲+m乙v乙=________kg·m/s;碰后m甲v′甲+m乙v′乙=________kg·m/s.

(3)通过计算得出的结论是什么?

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

解析:

(1)观察打点计时器打出的纸带,点迹均匀的阶段BC应为小车甲与乙碰前的阶段,CD段点迹不均匀,故CD应为碰撞阶段,甲、乙碰撞后一起匀速直线运动,打出间距均匀的点,故应选DE段计算碰后共同的速度.

(2)v甲=

=1.05m/s,

v′=

=0.695m/s

m甲v甲+m乙v乙=0.420kg·m/s

碰后m甲v′甲+m乙v′乙=(m甲+m乙)v′

=0.60×0.695kg·m/s

=0.417kg·m/s.

(3)在误差允许范围内,碰撞前后两个小车的mv之和是相等的.

答案:

(1)BC DE 

(2)0.420 0.417 (3)在误差允许范围内,碰撞前后两个小车的mv之和是相等的

展开阅读全文
相关资源
猜你喜欢
相关搜索

当前位置:首页 > 初中教育 > 学科竞赛

copyright@ 2008-2022 冰豆网网站版权所有

经营许可证编号:鄂ICP备2022015515号-1