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1、实验十验证动量守恒定律一、实验目的1.验证一维碰撞中的动量守恒.2.探究一维弹性碰撞的特点.二、实验原理在一维碰撞中，测出物体的质量m和碰撞前、后物体的速度v、v，找出碰撞前的动量pm1v1m2v2及碰撞后的动量pm1v1m2v2，看碰撞前、后动量是否守恒.三、实验器材方案一气垫导轨、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、橡皮泥等.方案二带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等.方案三光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥等.方案四斜槽、大小相等、质量不同的小球两个、重垂线一条、白纸、复写纸、天平、刻度尺、圆规、三
2、角板等.四、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1所示.图1(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(改变滑块的质量；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.方案二利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验图2(1)测质量：用天平测出两小球的质量m1、m2.(2)安装：把两个等大小球用等长悬线悬挂起来.(3)实验：一个小球静止，拉起另一个小球，放下时它们相碰，如图2所示.(4)测速度：可以测量小球被拉起的角度，从而算出碰撞前对应小球的速度，测量碰撞后小球摆起的
3、角度，算出碰撞后对应小球的速度.(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.方案三在光滑长木板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3所示.图3(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.方案四利用等大小球做平抛运动完成一维碰
4、撞实验(1)先用天平测出入射小球、被碰小球质量m1、m2.(2)按如图4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撞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，以确保两小球正碰后的速度方向水平.图4(3)在地上铺一张白纸，在白纸上铺放复写纸.(4)在白纸上记下重垂线所指的位置O，它表示被碰小球碰前的位置.(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小球的所有落点圈在里面，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，使它们发
5、生正碰，重复10次，从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.命题点一教材原型实验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.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.例1“探究碰撞中的不变量”的实验
6、中：(1)入射小球m115g，原静止的被碰小球m210g，由实验测得它们在碰撞前后的xt图象如图5甲所示，可知入射小球碰撞后的m1v1是_kgm/s，入射小球碰撞前的m1v1是_ kgm/s，被碰小球碰撞后的m2v2是_kgm/s.由此得出结论_.图5(2)实验装置如图乙所示，本实验中，必须满足的条件是_.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.入射小球每次都从斜槽上的同一高度由静止释放D.入射小球与被碰小球满足m1m2，r1r2(3)图乙中M、P、N分别为入射小球与被碰小球对应的落点的平均位置，则实验中要验证的关系是_.A.m1ONm1OPm2OMB.m1OPm1ONm2O
7、MC.m1OPm1OMm2OND.m1OMm1OPm2ON答案(1)0.00750.0150.0075碰撞过程中动量守恒(2)BCD(3)C解析(1)由题图甲可知，碰撞前入射小球的速度：v1 m/s1 m/s，碰撞后，入射小球的速度：v1 m/s0.5 m/s，被碰小球的速度v2 m/s0.75 m/s，入射小球碰撞后：m1v10.0150.5 kgm/s0.007 5 kgm/s，入射小球碰撞前：m1v10.0151 kgm/s0.015 kgm/s，被碰小球碰撞后：m2v20.010.75 kgm/s0.007 5 kgm/s，碰撞前系统总动量pm1v10.015 kgm/s，碰撞后系统总
8、动量pm1v1m2v20.015 kgm/s，pp，由此可知：碰撞过程中动量守恒.(2)本实验是通过平抛运动的基本规律求解碰撞前后的速度，只要求离开斜槽轨道后两小球做平抛运动，对斜槽轨道是否光滑没有要求，故A错误；要保证每次小球都做平抛运动，则斜槽轨道末端的切线必须水平，故B正确；要保证碰撞前入射小球的速度相同，所以入射小球每次都要从同一高度由静止释放，故C正确；为了保证两小球碰撞为对心正碰，且碰后不反弹，要求m1m2，r1r2，故D正确.(3)要验证动量守恒定律即：m1v1m1v1m2v2，小球做平抛运动，根据平抛运动规律可知两小球运动的时间相同，上式可转换为：m1v1tm1v1tm2v2t
9、，故只需验证m1OPm1OMm2ON，因此A、B、D错误，C正确.变式1验证动量守恒定律实验设计如图6所示，回答下列问题.图6(1)实验装置中应保持斜槽末端_.(2)每次小球下滑要从_处由静止释放.(3)入射小球的质量mA和被碰小球的质量mB的大小关系是_.(4)在图中，小球的水平射程的数值分别用OP、OM和ON表示.小球半径均为r.因此只需验证_.答案(1)切线水平(2)同一高度(3)mAmB(4)mAOPmAOMmB(ON2r)解析(1)要保证每次小球都做平抛运动，则轨道末端的切线必须水平；(2)每次小球下滑要从同一高度处由静止释放，从而保证平抛运动的初速度相同；(3)为防止碰撞过程入射小
10、球反弹，入射小球的质量应大于被碰小球的质量，即：mAmB；(4)小球离开轨道后做平抛运动，由于小球抛出点的高度相等，小球的运动时间t相等，如果碰撞过程动量守恒，则：mAvAmAvAmBvB，两边同时乘以时间t得：mAvAtmAvAtmBvBt，则：mAOPmAOMmB(ON2r).命题点二实验的拓展与创新例2某同学欲采用课本上介绍的气垫导轨和光电计时器等器材进行“验证动量守恒定律”的实验.实验装置如图7所示，下面是实验的主要步骤：安装好气垫导轨和光电门，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平测得A和B两滑块上遮光片的宽度均为d得到A、B两滑块的质量(包含遮光片)分别为m1、m2向气垫导轨通入压缩空
11、气利用气垫导轨左右的弹射装置，使滑块A、B分别向右和向左运动，测出滑块A、B在碰撞前经过光电门过程中挡光时间分别为t1和t2观察发现滑块A、B碰撞后通过粘胶粘合在一起，运动方向与滑块B碰撞前运动方向相同，此后滑块A再次经过光电门时挡光时间为t图7试解答下列问题：(1)碰撞前A滑块的速度大小为_，碰撞前B滑块的速度大小为_.(2)为了验证碰撞中动量守恒，需要验证的关系式是：_(用题中物理量表示).(3)有同学认为利用此实验装置还能计算碰撞过程中损失的机械能.请用上述实验过程测出的相关物理量，表示出A、B系统在碰撞过程中损失的机械能E_.答案(1)(2)(3)解析(1)碰撞前A滑块的速度大小为vA
12、，碰撞前B滑块的速度大小为vB.(2)为了验证碰撞中动量守恒，需要验证的关系式为m2vBm1vA(m2m1)v，其中碰后的共同速度v，代入可得：.(3)A、B系统在碰撞过程中损失的机械能Em1vA2m2vB2(m1m2)v2，代入可得：E.变式2为了验证动量守恒定律.图8甲所示的气垫导轨上放着两个滑块，滑块A的质量为500g，滑块B的质量为200g.每个滑块的一端分别与穿过打点计时器的纸带相连，两个打点计时器的频率均为50Hz.调节设备使气垫导轨正常工作后，接通两个打点计时器的电源，并让两个滑块以不同的速度相向运动，碰撞后粘在一起继续运动.图乙为纸带上选取的计数点，每两个计数点之间还有四个点没
13、有画出.图8(1)判断气垫导轨是否处于水平，下列措施可行的是_(填字母代号).A.将某个滑块轻放在气垫导轨上，看滑块是否静止B.让两个滑块相向运动，看是否在轨道的中点位置碰撞C.给某个滑块一个初速度，看滑块是否做匀速直线运动D.测量气垫导轨的两个支架是否一样高(2)根据图乙提供的纸带，计算碰撞前两滑块的总动量大小为p1_kgm/s；碰撞后两滑块的总动量大小为p2_ kgm/s.多次实验，若碰撞前后两滑块的总动量在实验误差允许的范围内相等，则动量守恒定律得到验证.(结果保留两位有效数字)答案(1)AC(2)0.280.28解析(1)判断气垫导轨是否处于水平的措施是：将某个滑块轻放在气垫导轨上，看
14、滑块是否静止；或者给某个滑块一个初速度，看滑块是否做匀速直线运动，故选项A、C正确，B、D错误.(2)根据纸带可求解A、B两滑块碰撞前的速度分别为：vA m/s0.80 m/svB m/s0.60 m/s；碰撞后速度：v共 m/s0.40 m/s；碰撞前总动量：p1mAvAmBvB0.50.80 kgm/s0.20.60 kgm/s0.28 kgm/s碰后总动量：p2(mAmB)v共0.70.40 kgm/s0.28 kgm/s；因p1p2，故动量守恒定律得到验证.1.如图9所示，在验证动量守恒定律实验时，小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速运动.然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体，继续匀速运动，在小车A后连着纸带，纸带穿过电磁打点计时器，电磁打点计时器电源频率为50Hz，长木板右端下面垫放薄木片用以平衡摩擦力.图9(1)若获得纸带如图10所示，并测得各计数点间距(已标在图上).A为运动起始的第一点，则应选_段来计算A的碰前速度，应选_段来计算A和B碰后的共同速
