高中物理高考 考点31 实验 验证动量守恒定律-备战2022年高考物理考点一遍过

内容 要求 要点解读 验证动量守恒定律 一维碰撞。重点理解实验原理、实验步骤和实验结论的得出与分析。 一、验证动量守恒定律实验方案 1．方案一 实验器材：滑块（带遮光片，2个）、游标卡尺、气垫导轨、光电门、天平、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。 实验情境：弹性碰撞（弹簧片、弹性碰撞架）；完全非弹性碰撞（撞针、橡皮泥）。 2．方案二 实验器材：带细线的摆球（摆球相同，两套）、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。 实验情境：弹性碰撞，等质量两球对心正碰发生速度交换。 3．方案三 实验器材：小车（2个）、长木板（含垫木）、打点计时器、纸带、天平、撞针、橡皮泥、刻度尺等。 实验情境：完全非弹性碰撞（撞针、橡皮泥）。 4．方案四 实验器材：小球（2个）、斜槽、天平、重垂线、复写纸、白纸、刻度尺等。 实验情境：一般碰撞或近似的弹性碰撞。 5．不同方案的主要区别在于测速度的方法不同：①光电门（或速度传感器）；②测摆角（机械能守恒）；③打点计时器和纸带；④平抛法。还可用频闪法得到等时间间隔的物体位置，从而分析速度。 二、验证动量守恒定律实验（方案四）注意事项 1．入射球质量m1应大于被碰球质量m2。否则入射球撞击被碰球后会被弹回。 2．入射球和被碰球应半径相等，或可通过调节放被碰球的立柱高度使碰撞时球心等高。否则两球的碰撞位置不在球心所在的水平线上，碰后瞬间的速度不水平。 3．斜槽末端的切线应水平。否则小球不能水平射出斜槽做平抛运动。 4．入射球每次必须从斜槽上同一位置由静止释放。否则入射球撞击被碰球的速度不相等。 5．落点位置确定：围绕10次落点画一个最小的圆将有效落点围在里面，圆心即所求落点。 6．水平射程：被碰球放在斜槽末端，则从斜槽末端由重垂线确定水平射程的起点，到落地点的距离为水平射程。 【2019·吉林高二期末】某物理兴趣小组利用如图甲所示的装置进行验证动量守恒定律的实验。光滑的水平平台上的A点放置有一个光电门。实验步骤如下： A．在小滑块a上固定一个宽度为d的窄挡光片； B．用天平分别测得小滑块a（含挡光片）和小球b的质量为m1、m2； C．在a和b间用细线连接，中间夹一被压缩了的水平轻短弹簧，静止放置在平台上； D．细线烧断后，a、b被弹开，向相反方向运动； E．记录滑块a离开弹黄后通过光电门时挡光片的遮光时间t； F．小球b离开弹簧后从平台边缘飞出，落在水平地面的B点，测出平台距水平地面的高度h及B点与平台边缘铅垂线之间的水平距离x0； G．改变弹賛压缩量，进行多次实验. （1）用螺旋测微器测量遮光条的宽度，如图乙所示，则遮光条的宽度为_____mm。 （2）若a、b与弹黄作用过程中系统动量守恒，则m1=______________（用上述实验所涉及物理量的字母表示，重力加速度为g） 【参考答案】（1）3.703（3.701~3.704） （2） 【详细解析】（1）螺旋测微器的读数是由固定刻度与可动刻度示数的和，所以遮光条的宽度d=3.5mm+20.4×0.01mm=3.704mm； （2）烧断细线后，ab被弹簧弹开，a获得的动量与b获得的动量大小相等方向相反，而a通过光电门的速度，动量，b做平抛运动，速度，弹开后的动量.若a、b与弹黄作用过程中系统动量守恒，则。 某同学利用气垫导轨上滑块间的碰撞来寻找滑块相互作用过程中的“不变量”，实验装置如图所示，实验过程如下（“+”、“–”表示速度方向）： （1）实验1：使m1=m2=0.25 kg，让运动的m1碰静止的m2，碰后两滑块分开，记录数据如表1。 表1 碰前 碰后 滑块m1 滑块m2 滑块m1 滑块m2 速度v（m·s–1） +0.110 0 0 +0.108 根据实验数据可知，在误差允许范围内：碰前滑块的速度________（填“等于”或“不等于”）碰后滑块的速度；碰前滑块的动能________（填“等于”或“不等于”）碰后滑块的动能；碰前滑块的质量与速度的乘积________（填“等于”或“不等于”）碰后滑块的质量与速度的乘积。 （2）实验2：使m1=m2=0.25 kg，让运动的m1碰静止的m2，碰后两滑块一起运动，记录数据如表2。 表2 碰前 碰后 滑块m1 滑块m2 滑块m1 滑块m2 速度v（m·s–1） +0.140 0 +0.069 +0.069 根据实验数据可知，在误差允许范围内：碰前滑块的速度________（填“等于”或“不等于”）碰后滑块速度的矢量和；碰前滑块的动能________（填“等于”或“不等于”）碰后滑块动能的和；碰前滑块的质量与速度的乘积________（填“等于”或“不等于”）碰后滑块质量与速度乘积的矢量和。 （3）实验3：使2m1=m2=0.5 kg，让运动的m1碰静止的m2，碰后两滑块分开，记录数据如表3。 表3 碰前 碰后 滑块m1 滑块m2 滑块m1 滑块m2 速度v（m·s–1） +0.120 0 –0.024 +0.070 根据实验数据可知，在误差允许范围内：碰前滑块的速度________（填“等于”或“不等于”）碰后滑块速度的矢量和；碰前滑块的动能________（填“等于”或“不等于”）碰后滑块动能的和；碰前滑块的质量与速度的乘积________（填“等于”或“不等于”）碰后滑块质量与速度乘积的矢量和。 （4）综上，滑块相互作用过程中的不变量可能为________________________。 【答案】（1）等于 等于 等于 （2）等于 不等于 等于 （3）不等于 不等于 等于 （4）质量和速度乘积的矢量和 【解析】（1）从表1数据可知，碰撞前滑块的速度与碰撞后速度基本相等，由碰撞前后滑块的质量相等，则动能相等，质量与速度的乘积相等。 （2）从表2数据可知，碰前的速度v1=0.140 m/s，碰后滑块速度的矢量和v2=(0.069+0.069)m/s=0.138 m/s，在误差允许范围内相等；碰前滑块质量与速度的乘积m1v1=0.25×0.140 kg·m/s=0.035 kg·m/s，碰后滑块质量与速度的乘积之和为mv=0.25×0.069×2 kg·m/s=0.034 5 kg·m/s，在误差允许范围内相等；碰前的动能Ek1=×0.25×0.1402 J=0.002 45 J，碰后的动能Ek2=×0.25×0.0692×2 J=0．001 19 J，碰撞前后动能不相等。 （3）从表3数据可知，碰前速度v1=0.120 m/s，碰后速度矢量和v2=(–0.024+0.070)m/s=0.046 m/s，不相等；碰前动能Ek1=×0.25×0.122 J=0.001 8 J，碰后的动能Ek2=(×0.25×0.0242+×0.5×0.072)J=0.001 3 J， 碰撞前后动能不相等；碰前滑块质量与速度的乘积m1v1=0.25×0.12 kg·m/s=0.03 kg·m/s，碰后滑块质量与速度乘积的矢量和mv=(–0.25×0.024+0.5×0.07)kg·m/s=0.029 kg·m/s，在误差允许范围内相等。 （4）综上实验，碰撞前后只有滑块质量和速度乘积的矢量和始终相等。 【名师点睛】探究碰撞中的不变量实验与验证动量守恒定律实验的基本实验方案相似，但探究实验中“动量”可能是“未知”的物理量，故本实验中最后的结论中为“质量和速度乘积的矢量”。 某同学设计了一个用打点计时器做“验证动量守恒定律”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，继续做匀速运动。他设计的具体装置如图所示，在小车A后连着纸带，电磁打点计时器电源频率为50 Hz，长木板下垫着小木片用以平衡摩擦力。 （1）若实验得到的纸带如图所示，并测得各计数点间距，则应选________段来计算A的碰撞前速度v0；应选_________段来计算A和B碰后的共同速度v。 （2）实验中测得小车A的质量mA=0.40 kg，小车B的质量mB=0.20 kg。则碰前：mAv0=______kg·m/s；碰后：(mA+mB)v=_______kg·m/s。（计算结果保留三位有效数字） （3）由本次实验获得的初步结论是____________________________________。 【参考答案】（1）BC DE （2）0.420 0.417 （3）在误差允许范围内，系统动量守恒 【详细解析】（1）由纸带可知，碰撞前小车A先加速一段后匀速运动，碰撞后仍然匀速运动，要测量碰撞前后匀速运动的速度，则应选BC段计算A的碰撞前速度v0，选DE段计算A和B碰后的共同速度v。 （2）由纸带数据可知，v0==×10–2 m/s=1.050 m/s，mAv0=0.420 kg·m/s，v=m/s=0.695 m/s，(mA+mB)v=0.417 kg·m/s。 （3）根据碰撞前后的动量关系可知在误差允许的范围内系统动量守恒。 【名师点睛】使用纸带测量碰撞前后物体的速度时，要注意打点计时器从纸带的哪一端开始打点，由于碰撞过程会经过一段时间，此段时间内，物体的速度是变化的，所以要注意判断纸带上各段过程的意义。 1．【2018·南宁市第八中学高二段考】用如图甲所示的装置验证动量守恒定律，小车P的前端粘有橡皮泥，后端连接通过打点计时器的纸带，在长木板右端垫放木块以平衡摩擦力，推一下小车P，使之运动，与静止的小车Q相碰粘在一起，继续运动。 （1）下列操作正确的是_____。 A．两小车粘上橡皮泥是为了改变两车的质量 B．两小车粘上橡皮泥是为了碰撞后粘在一起 C．先接通打点计时器的电源，再释放拖动纸带的小车 D．先释放拖动纸带的小车，再接通打点计时器的电源 （2）实验获得的一条纸带如图乙所示，根据点迹的不同特征把纸带上的点进行了区域划分，用刻度尺测得各点到起点A的距离。根据碰撞前后小车的运动情况，应选纸带上_____段来计算小车P的碰前速度。 （3）测得小车P（含橡皮泥）的质量为m1，小车Q（含橡皮泥）的质量为m2，如果实验数据满足关系式____________________________，则可验证小车P、Q碰撞前后动量守恒。 （4）如果在测量小车P的质量时，忘记粘橡皮泥，则所测系统碰前的动量与系统碰后的动量相比，将_____（填“偏大”或“偏小”或“相等”）。 【答案】（1）BC （2）BC （3） （4）偏小 【解析】（1）装上橡皮泥，是为了碰撞后粘在一起，不是为了改变车的质量，A错误B正确；为了打点稳定以及充分利用纸带打出更多的点，应先打开电源然后再让小车运动，C正确D错误； （2）两小车碰撞前做匀速直线运动，在相等时间内小车位移相等，由图示纸带可知，应选择纸带上的BC段求出小车P碰撞前的速度； （3）设打点计时器打点时间间隔为T，由图示纸带可知，碰撞前小车的速度，碰撞后小车的速度，如果碰撞前后系统动量守恒，则：，即：，整理得：； （4）在测量小车P的质量时，忘记粘橡皮泥，小车P质量的测量值小于真实值，由p=mv可知，所测系统碰前的动量小于碰撞后系统的动量。 【2019·四川高二期末】用如图甲所示装置验证“动量守恒定律”。A、B两球半径相同，A球质量为m1，B球质量为m2，轨道包括斜槽和水平槽，固定在桌面上，白纸铺在水平地面上，复写纸在白纸上。先让A球从斜槽上某一固定位置C由静止滚下，从轨道末端水平抛出，落到复写纸上，重复上述操作10次，在白纸上得到10个落点痕迹；再把B球放在水平轨道末端，让A球仍从位置C由静止滚下，A球和B球碰撞后，分别在白纸上留下各自的落点痕迹，重复操作10次。M、P、N为三个落点的平均位置，O点是水平槽