新教材高中物理人教版选择性必修 第一册14 实验验证动量守恒定律教案.docx

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新教材高中物理人教版选择性必修第一册14实验验证动量守恒定律教案

实验：

验证动量守恒定律

【教学目标】

1．掌握动量守恒定律适用范围。

2．会用实验验证动量守恒定律。

【教学重难点】

会用实验验证动量守恒定律。

【教学过程】

一、实验思路

教师：

两个物体在发生碰撞时，作用时间很短。

根据动量定理，它们的相互作用力很大。

如果把这两个物体看作一个系统，那么，虽然物体还受到重力、支持力、摩擦力、空气阻力等外力的作用，但是有些力的矢量和为0，有些力与系统内两物体的相互作用力相比很小。

因此，在可以忽略这些外力的情况下，碰撞满足动量守恒定律的条件。

问题：

我们应该怎样设计实验，使两个碰撞的物体所组成的系统所受外力的矢量和近似为0？

学生思考，教师总结。

我们研究最简单的情况：

两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这条直线运动。

应该尽量创造实验条件，使系统所受外力的矢量和近似为0。

二、物理量的测量

研究对象确定后，还需要明确所需测量的物理量和实验器材。

问题：

想要验证动量守恒定律，需要测量哪些物理量？

学生思考，教师总结：

根据动量的定义，很自然地想到，需要测量物体的质量，以及两个物体发生碰撞前后各自的速度。

教师：

那么物体的质量我们可以直接用天平测量，物体碰撞前后的速度呢？

学生回忆之前我们学习了哪些测量物体速度的方法。

最后教师总结可行的方法进行实验的设计。

（一）方案一：

研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒

本案例中，我们利用气垫导轨来减小摩擦力，利用光电计时器测量滑块碰撞前后的速度。

实验装置如图所示，可以通过在滑块上添加已知质量的物块来改变碰撞物体的质量。

本实验可以研究以下几种情况：

①选取两个质量不同的滑块，在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架，滑块碰撞后随即分开。

②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，使两个滑块连成一体运动。

如果在两个滑块的碰撞端分别贴上尼龙拉扣，碰撞时它们也会连成一体。

③原来连在一起的两个物体，由于相互之间具有排斥的力而分开，这也可视为一种碰撞。

这种情况可以通过下面的方式实现。

在两个滑块间放置轻质弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，并用一根细线将两个滑块固定。

烧断细线，弹簧弹开后落下，两个滑块由静止向相反方向运动。

1．实验步骤：

（1）测质量：

用天平测出滑块的质量。

（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。

2．数据处理

（1）滑块速度的测量：

v＝Δx/Δt，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。

（2）验证的表达式：

m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′

（二）方案二：

利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律

1．实验步骤：

（1）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：

按照图甲所示安装实验装置，调整固定斜槽使斜槽底端水平。

（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F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和被撞小球落点的平均位置N，如图所示。

（6）验证：

连接N，测量线段OP、OM、ON的长度。

将测量数据填入表中。

最后代入m1·OP。

（7）结束：

整理好实验器材放回原处。

2．数据处理：

验证的表达式：

m1·OP=m1·OM+m2·ON

（三）方案三：

在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验

1．实验器材

光滑长木板、打点计时器、纸带、小车（两个）、天平、撞针、橡皮泥。

2．实验步骤

（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，小车五静止，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

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。

3．数据处理

（1）小车速度的测量：

，式中

是纸带上两计数点间的距离，可用刻度尺测量，

为小车经过

的时间，可由打点间隔算出。

（2）验证的表达式：

m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′

4．注意事项

（1）前提条件：

碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。

（2）若利用“气垫导轨”完成实验，调整气垫导轨时，注意利用水平仪确保导轨水平。

若用“斜槽”完成实验，斜槽末端的切线必须水平，入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放。

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，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。

（2）偶然误差：

主要来源于质量m和速度v的测量。

（3）改进措施：

①设计方案时应保证碰撞为一维碰撞，且尽量满足动量守恒的条件。

②采取多次测量求平均值的方法减小偶然误差。

【课堂练习】

1．（2017·江西模拟）利用频闪照相和气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的实验，步骤如下：

①用天平测出滑块A、B的质量分别为200g和300g；

②安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；

③向气垫导轨通入压缩空气；

④把A、B两滑块放到导轨上，并给它们一个初速度，同时开始闪光照相，闪光的时间间隔设定为Δt＝0.2s，照片如图所示。

结合实验过程和图象分析知：

该图象是闪光4次摄得的照片，在这4次闪光的瞬间，A、B两滑块均在0～80cm刻度范围内；第一次闪光时，滑块A恰好通过x＝55cm处，滑块B恰好通过x＝70cm处；碰撞后有一个滑块处于静止状态。

设向右为正方向，试分析：

滑块碰撞时间发生在第一次闪光后____s，碰撞前两滑块的质量与速度乘积之和为____kg·m/s，碰撞后两滑块的质量与速度乘积之和为____kg·m/s。

答案：

0.1；－0.2；－0.2

2．（2017·湖北黄冈中学期中）某同学用图甲所示装置通过半径相同的a、b两球的碰撞来验证动量守恒定律。

图中PQ是斜槽，QR为水平槽。

在记录纸上记下重垂线所指的位置O。

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，确定小球a的落点平均位置B。

再把b球放在水平槽末端R，让a球仍从固定位置G由静止开始滚下，与b球碰撞后，落到水平地面的记录纸上，重复10次，得到两球的落点平均位置分别为A和C，其中b球落点痕迹如图乙所示。

米尺水平放置，零点与O点对齐。

（1）碰撞后b球的水平射程应取为____cm。

（2）在以下选项中，哪些是本次实验必须进行的测量？

答：

____（填选项序号）。

A．水平槽上未放b球时，测量a球落点位置到O点的距离x1

B．a球与b球碰撞后，分别测量a球和b球的落点位置到O点的距离x2、x3

C．测量a球或b球的直径d

D．测量a球和b球的质量ma、mb（或两球质量之比）

E．测量G点相对于水平槽面的高度H

（3）按照本实验方法，已知a球的质量为ma，b球的质量为mb，ma>mb，那么动量守恒定律的验证式为____（用实验中所测物理量相应字母表示）。

答案：

（1）64.5（64.2～64.8均可）；

（2）ABD；（3）max1＝max2＋mbx3

3．（2017·湖南师大附中模拟）如图所示是用来验证动量守恒定律的实验装置，弹性球1用细线悬挂于O点，O点正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拉至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向左最远可摆至B点，与球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。

现已测出弹性球1和2的质量m1、m2（m1>m2），A点离水平桌面的距离为a，B点离水平桌面的距离为b。

此外：

（1）还需要测量的量是______________________、_____________和____________。

（2）根据测量的数据，该实验中动量守恒定律的表达式为______________________。

答案：

（1）C点与桌子边缘间的水平距离c、立柱高h、桌面高H；

（2）2m1

＝2m1

＋m2

4．（2017·山东泰安一模）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）实验必须满足的条件是_________（填选项的符号）。

A．斜槽轨道必须是光滑的

B．斜槽轨道末端的切线是水平的

C．入射小球每次都要从同一高度由静止滚下

D．若入射小球的质量为m1，被碰小球的质量为m2，则m1>m2

（2）图中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影。

实验时，先让小球1多次从斜轨上S位置由静止释放，找到其平均落地点的位置P，测量平抛射程

，然后，把小球2静置于轨道的末端，再将小球1从斜轨上S位置由静止释放，与小球2发生碰撞，并多次重复。

接下来要完成的必要步骤是_________（填选项的符号）。

A．用天平测量两个小球的质量m1、m2

B．测量小球1开始释放的高度h

C．测量抛出点距地面的高度H

D．分别找到小球1、小球2相碰后平均落点的位置M、N

E．测量平抛射程

、

（3）若两球碰撞前后的动量守恒，则满足的表达式为____________________（用

（2）中测量的量表示）。

（4）若m1＝45.0g、m2＝9.0g，

＝46.20cm。

则

可能的最大值为____cm（小数点后保留两位）。

答案：

（1）BCD

（2）ADE（3）m1

＝m1

＋m2

（4）77.00

实验：

探究碰撞中的不变量方案

（二）

★新课标要求

（一）知识与技能

1、明确探究碰撞中的不变量的基本思路．

2、掌握同一条直线上运动的两个物体碰撞前后的速度的测量方法．

3、掌握实验数据处理的方法．

（二）过程与方法

1、学习根据实验要求，设计实验，完成某种规律的探究方法。

2、学习根据实验数据进行猜测、探究、发现规律的探究方法。

（三）情感、态度与价值观

1、通过对实验方案的设计，培养学生积极主动思考问题的习惯，并锻炼其思考的全面性、准确性与逻辑性。

2、通过对实验数据的记录与处理，培养学生实事求是的科学态度，能使学生灵活地运用科学方法来研究问题，解决问题，提高创新意识。

3、在对实验数据的猜测过程中，提高学生合作探究能力。

4、在对现象规律的语言阐述中，提高了学生的语言表达能力，还体现了各学科之间的联系，可引伸到各事物间的关联性，使自己溶入社会。

★教学重点

碰撞中的不变量的探究

★教学难点

实验数据的处理．

★教学方法

教师启发、引导，学生自主实验，讨论、交流学习成果。

★教学用具：

投影片，多媒体辅助教学设备；完成该实验实验室提供的实验器材，如气垫导轨、滑块等

★课时安排

1课时

★教学过程

（一）引入新课

课件演示：

（1）台球由于两球碰撞而改变运动状态。

（2）微观粒子之间由于相互碰撞而改变状态，甚至使得一种粒子转化为其他粒子．

师：

碰撞是日常生活、生产活动中常见的一种现象，两个物体发生碰撞后，速度都发生变化．

师：

两个物体的质量比例不同时，它们的速度变化也不一样．

师：

物理学中研究运动过程中的守恒量具有特别重要的意义，本节通过实验探究碰撞过程中的什么物理量保持不变（守恒）．

（二）进行新课

1．实验探究的基本思路

1．1一维碰撞

师：

我们只研究最简单的情况——两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿同一直线运动．

这种碰撞叫做一维碰撞．

课件：

碰撞演示

如图所示，A、B是悬挂起来的钢球，把小球A拉起使其悬线与竖直线夹一角度a，放开后A球运动到最低点与B球发生碰撞，碰后B球摆幅为β角．如两球的质量mA=mB，碰后A球静止，B球摆角β=α，这说明A、B两球碰后交换了速度；

如果mA>mB，碰后A、B两球一起向右摆动；

如果mA

师：

以上现象可以说明什么问题？

结论：

以上现象说明A、B两球碰撞后，速度发生了变化，当A、B两球的质量关系发生变化时，速度变化的情况也不同．

1．2追寻不变量

师：

在一维碰撞的情况下与物体运动有关的量只有物体的质量和物体的速度．

设两个物体的质量分别为m1、m2，碰撞前它们速度分别为v1、v2，碰撞后的速度分别为

、

．

规定某一速度方向为正．

碰撞前后速度的变化和物体的质量m的关系，我们可以做如下猜测：

（1）

（2）

（3）

分析：

①碰撞前后物体质量不变，但质量并不描述物体的运动状态，不是我们追寻的“不变量”．

②必须在各种碰撞的情况下都不改变的量，才是我们追寻的不变量．

2．实验条件的保证、实验数据的测量

2．1实验必须保证碰撞是一维的，即两个物体在碰撞之前沿同一直线运动，碰撞之后还沿同一直线运动;

2．2用天平测量物体的质量；

2．3测量两个物体在碰撞前后的速度．

师：

测量物体的速度可以有哪些方法？

生：

讨论。

总结：

速度的测量：

可以充分利用所学的运动学知识，如利用匀速运动、平抛运动，并借助于斜槽、气垫导轨、打点计时器和纸带等来达到实验目的和控制实验条件．

课件：

参考案例――一种测速原理

如图所示，图中滑块上红色部分为挡光板，挡光板有一定的宽度，设为L．气垫导轨上黄色框架上安装有光控开关，并与计时装置相连，构成光电计时装置．

当挡光板穿入时，将光挡住开始计时，穿过后不再挡光则停止计时，设记录的时间为t，则滑块相当于在L的位移上运动了时间t，所以滑块匀速运动的速度v=L/t．

3．实验方案

3．1用气垫导轨作碰撞实验（如图所示）

实验记录及分析（a-1）

碰撞前

碰撞后

质量

m1=4

m2=4

m1=4

m2=4

速度

v1=9

v2=0

=3

=6

mv

mv2

v/m

实验记录及分析（a-2）

碰撞前

碰撞后

质量

m1=4

m2=2

m1=4

m2=2

速度

v1=9

v2=0

=4.5

=9

mv

mv2

v/m

实验记录及分析（a-3）

碰撞前

碰撞后

质量

m1=2

m2=4

m1=2

m2=4

速度

v1=6

v2=0

=-2

=4

mv

mv2

v/m

实验记录及分析（b）

碰撞前

碰撞后

质量

m1=4

m2=2

m1=4

m2=2

速度

v1=0

v2=0

=2

=-4

mv

mv2

v/m

实验记录及分析—（c）

碰撞前

碰撞后

质量

m1=4

m2=2

m1=4

m2=2

速度

v1=9

v2=0

=6

=6

mv

mv2

v/m

3．2用小车研究碰撞

将打点计时器固定在光滑桌面的一端，把纸带穿过打点计时器，连在小车的后面。

让小车A运动，小车B静止。

在两小车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，把两个小车连接成一体（如上图）。

通过纸带测出它们碰撞前后的速度。

（三）课堂小结

1．基本思路（一维碰撞）

与物体运动有关的物理量可能有哪些？

碰撞前后哪个物理量可能是不变的？

2．需要考虑的问题

碰撞必须包括各种情况的碰撞；

物体质量的测量（天平）；

碰撞前后物体速度的测量（利用光电门或打点计时器等）。

（四）作业：

“问题与练习”1、2题

★教学体会

思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木。

学生素质的培养就成了镜中花，水中月。