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1、第1课时实验：探究碰撞中的不变量研究选考把握考情知识内容探究碰撞中的不变量考试要求加试基本要求1.猜想两个物体碰撞前后哪些物理量保持不变。2.讨论实验的基本思路。3.尝试设计实验方案，知道实验需要测量的物理量和所需器材。4.根据不同的实验方案设计实验记录表，收集并正确记录数据。5.分析实验数据，得出实验结论。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1.两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这条直线运动。这种碰撞叫做一维碰撞。2.实验的基本思路：寻求不变量在一维碰撞的情况下，令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
2、的速度分别为v1、v2，如果速度的方向与我们设定的坐标轴的正方向一致，取正值，反之则取负值，探究以下关系式是否成立：(1)m1v1m2v2m1v1m2v2；(2)m1vm2vm1v12m2v22；(3)。三、需要测量的量及实验方案设计1.质量的测量：用天平测量。2.速度的测量：方案1：利用气垫导轨结合光电门(1)所需测量量：滑块(挡光板)的宽度x，滑块(挡光板)经过光电门的时间t。(2)速度的计算：v。(3)碰撞情景的实现图1如图1所示，利用弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥设计各种类型的碰撞，利用在滑块上加重物的方法改变碰撞物体的质量。(4)器材：气垫导轨、光电计时器、滑块(带挡光
3、板、两个)、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥。方案2：利用摆球结合机械能守恒定律(1)所需测量量：悬点至球心的距离l，摆球被拉起或碰后的角度。(2)速度的计算：v。(3)碰撞情景的实现：如图2所示，用贴胶布的方法增大两球碰撞时的能量损失。图2 (4)器材：带细线的摆球(两套)、铁架台、量角器、坐标纸、胶布。方案3：利用光滑水平面结合打点计时器。(1)所需测量量：纸带上两计数点间的距离x，小车经过x所用的时间t。(2)速度的计算：v。(3)碰撞情景的实现：如图3所示，A运动，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。图3(4)器材：长
4、木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、撞针、橡皮泥。四、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，填入预先设计好的表格。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。五、数据处理将实验中测得的物理量填入下表，物体碰撞后运动的速度与原来的方向相反时需要注意正负号。碰撞前碰撞后质量m1m2m1m2速度v1v2v1v2mvm1v1m2v2m1v1m2v2mv2m1vm2vm1v12m2v22其他猜想通过研究以上实验数据，找到碰
5、撞前后的“不变量”。六、注意事项1.保证两物体发生的是一维碰撞，即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。2.若利用气垫导轨进行实验，调整气垫导轨时要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面内。4.碰撞有很多情形，我们寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变，才符合要求。热点一实验步骤与数据处理【例1】 某同学运用以下实验器材，设计了一个碰撞实验来寻找碰撞前后的不变量：打点计时器、低压交流电源(频率为50 Hz)、纸带、表面光滑的长木板、带撞针的小车A、带橡皮泥的小车B、天平。
6、该同学设计的实验步骤如下：A.用天平测出小车A的质量mA0.4 kg，小车B的质量为mB0.2 kgB.更换纸带重复操作三次C.小车A靠近打点计时器放置，在车后固定纸带，把小车B放在长木板中间D.把长木板平放在桌面上，在一端固定打点计时器，连接电源E.接通电源，并给小车A一定的初速度vA(1)请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来_。(2)打点计时器打下的纸带中，比较理想的一条如图4所示，根据这些数据完成下表。图4碰撞前碰撞后A车B车AB整体质量/kg速度/(ms1)/(ms1kg1)mv/(kgms1)mv2/(kgm2s2)(3)根据以上数据猜想碰撞前后不变量的表达式为_。解析(1)按照先安
7、装，后实验，最后重复的顺序，该同学正确的实验步骤为ADCEB。(2)碰撞前后均为匀速直线运动，由纸带上的点迹分布求出速度。碰后小车A、B合为一体，求出AB整体的共同速度。注意打点计时器的频率为50 Hz，打点时间间隔为0.02 s，通过计算得下表。碰撞前碰撞后A车B车AB整体质量/kg0.40.20.6速度/(ms1)3.002.0/(ms1kg1)7.503.3mv/(kgms1)1.201.2mv2/(kgm2s2)3.602.4(3)由表中数值可看出mv一行中数值相同，可猜想碰撞前后不变量的表达式为mAvAmBvB(mAmB)v。答案(1)ADCEB(2)见解析表格(3)mAvAmBvB
8、(mAmB)v热点二运用气垫导轨探究碰撞中的不变量【例2】 在“探究碰撞中的不变量”的实验中，下面是某实验小组选用水平气垫导轨、光电门的测量装置来研究两个滑块碰撞过程中系统动量的变化情况，实验仪器如图5所示。图5实验过程：(1)调节气垫导轨水平，并使光电计时器系统正常工作。(2)在滑块1上装上挡光片并测出其长度L。(3)在滑块2的碰撞端面粘上橡皮泥(或双面胶纸)。(4)用天平测出滑块1和滑块2的质量m1、m2。(5)把滑块1和滑块2放在气垫导轨上，让滑块2处于静止状态(v20)，用滑块1以初速度v1与之碰撞(这时光电计时器系统自动计算时间)，撞后两者粘在一起，分别记下滑块1的挡光片碰前通过光电
9、门的遮光时间t1和碰后通过光电门的遮光时间t2。(6)先根据v计算滑块1碰撞前的速度v1及碰后两者的共同速度v；再计算两滑块碰撞前后的质量与速度乘积，并比较两滑块碰撞前后的质量与速度乘积之和。实验数据：m10.324 kg，m20.181 kg，L1.00103 m次数滑块1滑块2碰撞前碰撞后v1(ms1)v(ms1)v2(ms1)v(ms1)m1v1(kgm/s)m2v2(kgm/s)(m1m2)v(kgm/s)10.2900.18400.18420.4260.26900.269结论：解析先分清碰前与碰后的状态量，再代入数据计算。答案(从左到右，从上到下)0.09400.0930.13800
10、.136结论：在误差允许的范围内，碰前系统质量和速度乘积的矢量和等于碰后系统质量和速度乘积的矢量和。热点三创新设计实验【例3】 某同学把两个大小不同的物体用细线连接，中间夹一被压缩的弹簧，如图6所示，将这一系统置于光滑的水平桌面上，烧断细线，观察物体的运动情况，进行必要的测量，探究物体间相互作用时的不变量。图6(1)该同学还必须有的器材是_。(2)需要直接测量的数据是_。(3)根据课堂探究的不变量，本实验中表示碰撞前后不变量的表达式应为_。解析物体离开桌面后做平抛运动，取右边物体的初速度方向为正方向，设两物体质量和平抛初速度分别为：m1、m2，v1、v2，平抛运动的水平位移分别为x1、x2，平
11、抛运动的时间为t。需要验证的方程：0m1v1m2v2，其中：v1，v2，代入得到m1x1m2x2，故需要测量两物体的质量m1和m2，两物体落地点到桌面边缘的水平距离x1、x2，需要的器材为刻度尺、天平。答案(1)刻度尺、天平(2)两物体的质量m1、m2；两物体落地点分别到桌面边缘的水平距离x1、x2(3)m1x1m2x2【例4】 如图7所示，两个体积相同、质量各为m1和m2的小球A和B，分别放在竖直平面内的半圆形玻璃轨道内侧(小球的半径比轨道半径小得多)。现让A球从与圆心等高处由静止释放，在底部与静止小球B发生正碰，碰后A球反弹沿圆弧上升。现要利用此装置探究碰撞中的不变量，实验中可以不测量的物
12、理量为_(填选项前序号)。图7小球的质量m1、m2；圆弧轨道的半径R；小球A反弹后能上升的最高位置所对应的夹角1；小球B碰后能上升的最高位置所对应的夹角2。用实验测得的物理量表示在碰撞中的不变量的等式_。解析根据动量守恒定律，可列出m1m2m1化简可得m1m2m1答案m1m2m11.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.两小车碰后粘合在一起解析导轨不水平，小车速度将受重力影响。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，导致速度计算出现误差。答案AB2.用如图8所示的装置也可以完成“探究碰
13、撞中的不变量”的实验。图8(1)若实验中选取的A、B两球半径相等，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两球的半径不相等，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)为了保证发生一维碰撞，碰撞点应与两球球心在一条水平线上。故两球悬线长度相等，O1、O2之间距离等于球的直径。(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3.在实验室里为了探究碰撞中的不变量，一般可以采用如图9所示的装置：图9(1)若入射小球质量为m1，半径为r1；被碰小球质量为m2，半径为r2，则()A.m1m2，r1r2B.m1m2，r1r2C.m1m2，r1r2D.m1m2，r1r2(2)以下所提供的测量工具中必需的是_。A.直尺B.游标卡尺C.天平D.弹簧测力计E.秒表(3)设入射小球的质量为m1，被碰小球的质量为m2，则“探究碰撞中的不变量”的结论为_。(用装置图中的字母表示，P为碰前入射小球落点的平均位置)解析(1)为防止反弹造成入射小球返回斜槽，要求入射小球质量大于被碰小球质量，即m1
