《2018-2019学年人教版高中物理选修3-5第16章学案1实验：探究碰撞中的不变量含答案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2018-2019学年人教版高中物理选修3-5第16章学案1实验：探究碰撞中的不变量含答案（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2018-2019 学年人教版高中物理选修 3-5 学案11 实验：探究碰撞中的不变量实验：探究碰撞中的不变量学习目标 1.探究碰撞中的不变量之间的关系.2.掌握在同一条直线上运动的两个物体碰撞前、后速度的测量方法.3.通过实验得到一维碰撞中的不变量表达式一、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)m1v1m2v
2、2m1v1m2v2；(2)m1v m2v m1v12m2v22；2 12 2(3).v1m1v2m2v1m1v2m2二、需要考虑的问题及实验方案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.xt(3)碰撞情景的实现2018-2019 学年人教版高中物理选修 3-5 学案2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(带挡光板、两个)、弹簧片、细绳
3、、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图 2(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.2gl1cos (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(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.xt(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
4、图 3(4)器材：长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、撞针、橡皮泥三、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，填入预先设计好的表格4改变碰撞条件，重复实验2018-2019 学年人教版高中物理选修 3-5 学案35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m1m2m1m2质量v1v2v1v2 速度m1v1m2v2m1v1m2v2mvm1v m2v2 1
5、2 2m1v12m2v22mv2v1m1v2m2v1m1v2m2vm其他猜想通过研究以上实验数据，找到碰撞前后的“不变量” 五、注意事项1保证两物体发生的是一维碰撞，即两个物体碰撞前后沿同一直线运动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记录数据时，应规定正方向，若速度的方向与规定的正方向相同，则速度取正值，若与规定的正方向相反，则取负值5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，才符合要求一、利用气垫导轨结合光电门的测量例 1
6、某同学利用气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的实验；气垫导轨装置如图 4 所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成2018-2019 学年人教版高中物理选修 3-5 学案4图 4(1)下面是实验的主要步骤：安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；向气垫导轨通入压缩空气；接通光电计时器；把滑块 2 静止放在气垫导轨的中间；滑块 1 挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；释放滑块 1，滑块 1 通过光电门 1 后与左侧固定弹簧的滑块 2 碰撞，碰后滑块 1 和滑块2 依次通过光电门 2，两滑块通过光电门 2 后依次被制动；读出滑块通过两个光电门的挡光时间分别为：滑块 1 通过光
7、电门 1 的挡光时间t110.01 ms，通过光电门 2 的挡光时间 t249.99 ms，滑块 2 通过光电门 2 的挡光时间t38.35 ms；测出挡光片的宽度 d5 mm，测得滑块 1(包括撞针)的质量为 m1300 g，滑块 2(包括弹簧)的质量为 m2200 g；(2)数据处理与实验结论：实验中气垫导轨的作用是：A_；B_.碰撞前滑块 1 的速度 v1为_ m/s；碰撞后滑块 1 的速度 v2为_ m/s；滑块 2 的速度 v3为_ m/s；(结果保留两位有效数字)在误差允许的范围内，通过本实验，同学们可以探究出哪些物理量是不变的？通过对实验数据的分析说明理由(至少回答 2 个不变量
8、)a_；b_.解析 (2)A.大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差B保证两个滑块的碰撞是一维的滑块 1 碰撞之前的速度 v1 m/s0.50 m/s；dt15 10310.01 103滑块 1 碰撞之后的速度v2 m/s0.10 m/s；dt25 10349.99 1032018-2019 学年人教版高中物理选修 3-5 学案5滑块 2 碰撞之后的速度 v3 m/s0.60 m/s；dt35 1038.35 103a.系统质量与速度的乘积之和不变原因：系统碰撞之前 m1v10.15 kgm/s，系统碰撞之后 m1v2m2v30.15 kgm/s.b系统碰撞前后总动能不变原因：系统碰撞之
9、前的总动能 Ek1 m1v 0.037 5 J122 1系统碰撞之后的总动能Ek2 m1v m2v 0.037 5 J122 2122 3所以系统碰撞前后总动能相等c系统碰撞前后质量不变答案 (2)A.大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差 B保证两个滑块的碰撞是一维的0.50 0.10 0.60a.系统质量与速度的乘积之和不变b.系统碰撞前后总动能不变c.系统碰撞前后质量不变总结提升1完成本实验的关键是碰撞前、后速度的测量，做题时要明确实验的设计思想和速度测量的原理，同时注意单位和有效数字2本实验碰撞前、后速度的大小，采用极限法 v，其中 d 为遮光条的宽度xtdt3实验误差存在的主要
10、原因是摩擦力的存在利用气垫导轨进行实验，调节时注意利用水平仪，确保导轨水平二、利用摆球结合机械能守恒定律的探究例 2 某同学利用如图 5 所示的装置探究碰撞中的不变量图中两摆摆长相同，悬挂于同一高度，A、B 两摆球均很小，质量之比为 12.当两摆均处于自由静止状态时，其侧面刚好接触向左上方拉动 B 球使其摆线伸直并与竖直方向成 45角，然后将其由静止释放，结果观察到两摆球粘在一起摆动，且最大摆角为 30.此实验能否成功地说明碰撞前后质量与速度的乘积是不变量？2018-2019 学年人教版高中物理选修 3-5 学案6图 5解析 设摆球 A、B 的质量分别为 mA、mB，摆长为 l，B 球的初始高
11、度为 h1，碰撞前 B 球的速度为 vB.在不考虑摆线质量的情况下，根据题意及机械能守恒定律得：h1l(1cos 45)mBv mBgh1122 B碰撞前速度 vB2gl1cos 45所以碰撞前质量与速度的乘积为mBvBmB2gl1cos 45同理可得碰撞后共同速度vAB2gl1cos 30碰撞后质量与速度的乘积为(mAmB)vAB(mAmB)2gl1cos 30所以 mAmBvABmBvBmAmBmB1cos 301cos 45代入已知条件得1mAmBvABmBvB所以 mBvB(mAmB)vAB所以，此实验成功地说明了碰撞前后质量与速度的乘积是不变量答案 能归纳总结碰撞前后摆球速度的大小可
12、从摆线的摆角反映出来根据机械能守恒定律计算碰撞前后摆球的速度三、利用光滑水平面结合打点计时器的探究例 3 某同学设计了一个用打点计时器“探究碰撞中的不变量”的实验：在小车 A 的前端粘有橡皮泥，推动小车 A 使之做匀速直线运动，然后与原来静止在前方的小车 B 相碰，并粘合成一体继续做匀速直线运动，他设计的装置如图 6 所示在小车 A 后面连着纸带，电磁打点计时器的电源频率为 50 Hz，长木板的一端下面垫着小木片用以平衡摩擦力图 6(1)若已得到打点纸带如图 7 所示，测得各计数点间距离并标在图上，A 为运动起始的第一点，则应选_段来计算小车 A 碰撞前的速度，应选_段来计算 A 和 B 碰撞
13、后的2018-2019 学年人教版高中物理选修 3-5 学案7共同速度图 7(2)已测得小车 A 的质量 m10.40 kg，小车 B 的质量 m20.20 kg，由以上的测量结果可得：碰撞前两车质量与速度乘积之和为_ kgm/s；碰撞后两车质量与速度乘积之和为_ kgm/s.(3)从实验数据的处理结果看，A、B 碰撞过程中什么量不变？解析 (1)从分析纸带上打点的情况看，BC 段既表示小车做匀速运动，又表示小车有较大的速度，而 AB 段相同时间内间隔不一样，说明刚开始运动速度不稳定，因此 BC 段较准确地描述了小车 A 碰撞前的运动情况，故应选用 BC 段计算 A 碰撞前的速度；从 CD 段
14、打点情况看，小车的运动情况还没稳定，而在 DE 段小车运动稳定，故应选 DE 段计算小车 A和 B 碰撞后的共同速度(2)小车 A 碰撞前速度v1 m/s1.050 m/s；xBCT10.50 1020.1小车 A 碰撞前的质量与速度乘积为m1v10.401.050 kgm/s0.420 kgm/s.碰撞后小车 A、B 有共同速度 v m/s0.695 m/sxDET6.95 1020.1碰撞后两车的质量与速度乘积之和为m1vm2v(m1m2)v(0.400.20)0.695 kgm/s0.417 kgm/s(3)在误差允许的范围内，可以认为碰撞前后两车质量与速度的乘积之和保持不变答案 (1)BC DE (2)0.420 0.417 (3)在误差允许的范围内，碰撞前后两车质量与速度的乘积之和不变总结提升由于碰撞前后小车做匀速运动，而碰撞中小车的速度发生变化，故应选取点迹均匀的两段进行测量，求取小车速度.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两小车碰后粘
