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1、实验七 验证动量守恒定律,实验溯本求源实验热点探究课时巩固训练,一、实验目的 验证碰撞中的动量守恒. 二、实验原理 1.如图S7-1所示,让质量较大的小球与静止且质量 较小的小球正碰,根据动量守恒定律应有 m1v1=m1v1+m2v2.,图S7-1,三、实验器材 斜槽、铅垂线、两个大小相同而质量不等的小球、天平、白纸、复写纸、刻度尺、圆规. 四、实验步骤 1.将斜槽固定在桌边使其末端的切线水平. 2.在地板上合适的位置铺上白纸并在相应的位置铺上复写纸,用小铅锤把斜槽末端即入射球的重心投影到白纸上,标为O点. 3.不放被碰小球时,让入射小球从斜槽同一高度由静止开始滚下10次,用圆规找出小球通过复
2、写纸印在白纸上的落点的平均位置,标为P点.,热点一 实验原理和实验操作,例1 如图S7-2所示为“验证碰撞中的动量守恒”实验装置示意图. (1)入射小球1与被碰小球2直径相同,均为d,它们的质量相比较,应是m1 m2. (2)为了保证小球做平抛运动,必须调整斜槽 使 . (3)以下提供的器材中,本实验必需的有 (填 选项前的字母). A.刻度尺 B.游标卡尺 C.天平 D.秒表,图S7-2, 要点总结,(1)入射小球A和被碰小球B的大小应完全相同,且m1m2. (2)入射小球每次都必须从斜槽上的同一位置由静止滚下. (3)斜槽末端切线方向必须水平,被碰小球放在斜槽末端边缘处. (4)两球碰撞时
3、,球心应在同一水平线上.,热点二 数据处理与误差分析,1.数据处理 本实验运用转换法,即将测量小球做平抛运动的初速度转换成测平抛运动的水平位移;由于本实验仅限于研究系统在碰撞前后动量的关系,所以各物理量的单位不必统一使用国际单位制单位.,2.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: 碰撞是否为一维碰撞. 实验是否满足动量守恒的条件.如斜槽末端切线是否水平,两碰撞球是否等大. (2)偶然误差 主要来源于质量m和速度v的测量.,图S7-3,答案 P 2,热点三 同类实验拓展与创新,验证碰撞中的动量守恒的关键是通过实验测出碰撞前后两物体的速度,我们可以用以下几种方案设计并完成实
4、验: 方案一:利用气垫导轨验证动量守恒定律 1.实验器材:气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、弹簧片、胶布、撞针、橡皮泥等.,2.实验方法 (1)测质量:用天平测出两滑块的质量. (2)安装:按图S7-4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在各种情况下碰撞前后的速度(例如: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.,图S7-4,方案二:利用等长的悬线悬挂等大的小球验证动量守恒定律 1.实验器材:带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等. 2.实验方法 (1)测质量:用天平测出两小球的质量. (2
5、)安装:如图S7-5所示,把两个等大的小球用等长的悬线 悬挂起来. (3)操作:一个小球静止,将另一个小球拉开一定角度释放, 两小球相碰.,图S7-5,(4)测速度:记录下小球被拉起的角度,算出碰撞前对应小球的速度,测量碰撞后小球摆起的角度,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:利用光滑桌面上两车的碰撞验证动量守恒定律 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.实验方法 (1)测质量:用天平测出两小车的质量.,(2)安装:如图S7-6所示,将打点计时器固定在光滑长木板的一端,使
6、纸带的一端穿过打点计时器限位孔,另一端连在小车甲的后面,在甲、乙两小车将发生碰撞的一侧分别装上撞针和橡皮泥. (3)实验:接通打点计时器的电源,使小车甲运动,小车乙静止,两车碰撞时撞针插入橡皮泥中,两小车连接成一体一同运动.,图S7-6,(4)测速度:测量纸带上对应的距离,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.,例3 为了验证动量守恒定律,某同学选取了两个材质相同、体积不等的立方体滑块A和B,按下述步骤进行实验: 在A、B的相撞面分别装上橡皮泥,以便二者相撞以后能够立刻结为一体; 安装好的实验装置如图S7-7所示,铝质轨道槽的左端是倾斜槽,右端
7、是长直水平槽.倾斜槽和水平槽由一小段圆弧连接,轨道槽被固定在水平桌面上,在轨道槽的侧面与轨道等高且适当的远处装一台数码频闪照相机;,图S7-7,让滑块B静置于水平槽的某处,滑块A从斜槽某处由静止释放,在释放A的同时开始频闪拍摄,直到A、B停止运动,得到一幅多次曝光的数码照片; 多次重复步骤,得到多幅照片,挑出其中最理想的一幅,打印出来,将刻度尺紧靠照片放置,如图S7-8所示.,图S7-8,(1)由图分析可知,滑块A与滑块B碰撞发生的位置 (填选项前的字母). A.在P5、P6之间 B.在P6处 C.在P6、P7之间 (2)为了探究碰撞中动量是否守恒,需要直接测量或读取的物理量是 (填选项前的字
8、母). A.A、B两个滑块的质量m1和m2 B.滑块A释放时距桌面的高度 C.频闪照相的周期 D.照片尺寸和实际尺寸的比例 E.照片上测得的s45、s56和s67、s78 F.照片上测得的s34、s45、s56和s67、s78、s89 G.滑块与桌面间的动摩擦因数 写出验证动量守恒定律的表达式: .,变式题 现利用图S7-9甲所示的装置验证动量守恒定律.在图中,气垫导轨上有A、B两个滑块,滑块A右侧带有一弹簧片,左侧与穿过打点计时器(图中未画出)限位孔的纸带相连;滑块B左侧也带有一个弹簧片,上面固定一个遮光片,光电计时器(未完全画出)可以记录遮光片通过光电门的时间.实验测得滑块A(含弹簧片)的
9、质量m1=0.310 kg,滑块B(含弹簧片)的质量m2=0.108 kg,遮光片的宽度d=1.00 cm.打点计时器所用交流电的频率f=50.0 Hz.将光电门固定在滑块B的右侧,启动打点计时器,给滑块A一个向右的初速度,使它与B相碰.碰后光电计时器显示的时间为tB=3.500 ms,碰撞过程中打出的纸带如图乙所示.,1.在“探究碰撞中的不变量”实验中,已有的实验器材为:斜槽轨道,大小相等而质量不同的小钢球两个,重垂线一条,白纸,复写纸,圆规.实验装置及实验中小球运动轨迹及落点的情况简图如图S7-10所示. 试根据实验要求完成下列填空: (1)实验前,调节轨道时应注意 . (2)实验中重复多
10、次让a球从斜槽上释放,应特别注意 . (3)实验中还缺少的测量器材有 、 . (4)实验中需测量的物理量是 . (5)若该碰撞过程中动量守恒,则一定有关系式 成立.,图S7-10,解析 (1)由于要保证两球碰撞后做平抛运动,即初速度沿水平方向,所以必须保证斜槽的末端的切线是水平的. (2)由于实验要重复进行多次以确定同一个碰撞后两小球的落点的确切位置,所以每次碰撞前入射球a的速度必须相同,所以每次必须让a球从同一高处由静止滚下.,2.利用气垫导轨和频闪照相技术进行“探究碰撞中的不变量”实验. (1)实验要求研究两滑块碰撞时动能损失的各种情况,若要求碰撞时动能损失最大,则实验装置应选图S7-11
11、中的 (选填“甲”或“乙”);若要求碰撞时动能损失最小,则实验装置应选图中的 (选填“甲”或“乙”).(甲中两滑块分别装有弹性圈,乙中两滑块分别装有撞针和橡皮泥),图S7-11,(2)某次实验时,A滑块匀速向B滑块运动并与之发生碰撞,利用频闪照相的方法连续4次拍摄得到的频闪照片如图S7-12所示.已知相邻两次闪光的时间间隔为T,在这4次闪光的过程中,A、B两滑块均在080 cm范围内,且第1次闪光时,滑块A恰好位于x=10 cm处.若A、B两滑块的碰撞时间及闪光持续的时间极短,均可忽略不计,则由照片可知碰撞发生在第1次闪光后的 时刻,A、B两滑块质量之比mAmB= .,图S7-12,3.某实验
12、小组的同学制作了一个弹簧弹射装置,在轻弹簧两端各放置一个金属小球(小球与弹簧不连接),压缩弹簧并锁定,然后将锁定的弹簧和两个小球组成的系统放在内壁光滑的金属管中(管径略大于两球直径),金属管水平固定在离地面一定高度处,如图S7-13所示.解除弹簧锁定,则这两个金属小球可以同时沿同一直线向相反方向弹射.现要测定弹射装置在弹射时所具有 的弹性势能,并探究弹射过程所遵循的规律, 实验小组配有足够的基本测量工具并按下 述步骤进行实验:(重力加速度为g),图S7-13,用天平测出两球质量分别为m1、m2;用刻度尺测出两管口离地面的高度均为h; 解除弹簧锁定并弹出两球,记录下两球在水平地面上的落地点M、N
13、. 根据该小组同学的实验,回答下列问题:(1)要测定弹射装置在弹射时所具有的弹性势能,还需要测量的物理量有 (填选项前的字母). A.弹簧的压缩量x B.两球落地点M、N到对应管口P、Q的水平距离x1、x2 C.小球直径 D.两球从弹出到落地的时间t1、t2 (2)根据测量结果,可得弹性势能的表达式为 . (3)用测得的物理量来表示,如果满足关系式 , 则说明弹射过程中系统动量守恒.,4.某同学用如图S7-14甲所示的装置来验证动量守恒定律,该装置由水平长木板及固定在木板一端的硬币发射器组成,硬币发射器包括支架(未画出)、弹片及弹片释放装置,释放弹片可将硬币以某一初速度弹出.已知一元硬币和五角
14、硬币与长木板间的动摩擦因数相同,主要实验步骤如下: 将一元硬币置于发射槽口,释放弹片将硬币发射出去,硬币沿着长木板中心线运动,在长木板中心线的适当位置取一点O,测出硬币停止滑动时其右侧到O点的距离,再从同一位置释放弹片将一元硬币发射出去,重复多次,取该距离的平均值记为x1,如图乙所示;,将五角硬币放在长木板上,使其左侧位于O点,并使其直径与中心线重合,按步骤从同一位置释放弹片,重新弹射一元硬币,使两硬币发生对心正碰,重复多次,分别测出两硬币碰后停止滑行时距O点的距离的平均值x2和x3,如图丙所示.,图S7-14,(1)为完成该实验,除长木板,硬币发射器,一元及五角硬币,刻度尺外,还需要的器材为 . (2)实验中还需要测量的物理量及字母表示为 ,验证动量守恒定律的表达式为 (用测量物理量对应的字母表示).,
