1.4 实验：验证动量守恒定律（导学案） 人教版选择性必修第一册（有解析）
文档属性
| 名称 | 1.4 实验：验证动量守恒定律（导学案） 人教版选择性必修第一册（有解析） |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 509.0KB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-08-06 10:52:53 | ||
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文档简介
1.4实验：验证动量守恒定律
1.知道验证动量守恒定律的实验方法有哪些．
2.知道验证过程中需要测量的物理量及其测量方法．
3.能够通过列表法和计算对数据进行处理.
4.知道实验过程中需要注意的事项．
【重点】用两种试验方案验证动量守恒的实验思路与注意事项；
【难点】两种实验方案中各物理量的测量及实验数据分析。
【课前自主学习】
知识前置
实验思路
让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，创造条件，使系统所受外力的矢量和近似为0，满足____________的条件。
物理量的测量
研究对象确定后，还需要明确所需测量的物理量和实验器材。需要测量物体的________，以及两个物体发生碰撞前后各自的________。物体的质量可用________直接测量。
数据分析
选取质量不同的两个物体进行碰撞，测出物体的质量(m1，m2)和碰撞前后的速度(v1，v′1，v2，v2′)，若满足m1v1＋m2v2＝__________________，则验证了碰撞前后总________守恒。
方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
1．实验器材：气垫导轨、______________、天平、________(两个)、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。
2．实验原理：
(1)调整导轨使之处于________状态，并使光电计时器系统正常工作。
(2)速度的测量：记录光电门挡光片的宽度Δx以及光电计时器显示的
挡光时间Δt，利用公式v＝______计算出两滑块碰撞前后的速度。
方案二：研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒
1．实验器材：铁架台，斜槽轨道，两个大小相等、质量______同的小球，重垂线，复写纸，白纸，________，__________，圆规，三角板等。
2．实验的基本思想——转化法：
不易测量量转化为易测量量的实验设计思想。
3．实验原理：(1)让一个质量较大的小球从斜槽上滚下，与放在斜槽末端的另一质量较小的小球发生碰撞，之后两小球都做________运动。
(2)速度的测量：由于两小球下落的高度相同，所以它们的飞行时间________。如果用小球的飞行时间作时间单位，那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平________。
二、新知学习
方案一、研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒实验思路
动量守恒定律的适用条件是________，或者所受外力的矢量和为________。我们生活中的物体受到各种力的作用，难以满足这种理想化的条件。但是，在某些情况下，可以近似满足________的条件。
本案例中，我们利用气垫导轨来减小摩擦力，利用光电计时器测量滑块碰撞前后的速度。实验装置如图所示。可以通过在滑块上添加已知质量的物块来改变碰撞物体的质量。
实验器材:气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、________、细绳、________、胶布、撞针、橡皮泥等．
实验步骤：
1.选取两个质量不同的滑块，在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架（图1），________。
2.在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥（图2），碰撞时撞针插入橡皮泥中，使两个滑块连成一体运动。如果在两个滑块的碰撞端分别贴上尼龙拉扣，________。
图1 滑块碰撞后分 图2 滑块碰撞后粘连
3.原来连在一起的两个物体，由于相互之间具有排斥的力而分开，这也可视为一种碰撞。这种情况可以通过下面的方式实现。在两个滑块间放置轻质弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，并用一根细线将两个滑块固定。烧断细线，弹簧弹开后落下，________________（图3）。
图3 弹簧使静止滑块分开
物理量的测量
(1)滑块的质量用天平直接测量。
(2)速度的测量：________ ，式中的Δx为滑块上挡光板的宽度，Δt为光电计时器记录的滑块上的挡光板经过光电门的时间。
碰撞情境的实现利用轻质弹簧、细线、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等设计各种类型的碰撞，通过在________________的质量。
(1)情境1：________，________；
(2)情境2：两滑块追碰、相向碰，碰撞后分开；
(3)情境3：________________，________________；
(4)情境4：两滑块碰撞后，撞针插入橡皮泥中，使滑块连成一体。
数据记录与处理
(1)规定正方向，碰撞前后速度的方向与正方向相同为正，________。
(2)通过计算碰撞前后的总动量，检验是否满足动量守恒定律。
方案二、研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒
本案例中，我们研究两个小球在斜槽末端发生碰撞的情况。
实验器材
斜槽、________(两个)、________、复写纸、白纸等．
测质量：用天平测出两个小球的质量，并选质量大的小球为入射小球。
实验装置：
将斜槽安装在水平桌面上，并调整斜槽使其末端水平，________，上面再铺好复写纸，记下重垂线所指的位置O。
实验操作：
如图所示。将斜槽固定在铁架台上，使槽的末端水平。让一个质量较大的小球（入射小球）从斜槽上滚下跟放在斜槽末端的另一个大小相同、________________。
使入射小球从斜槽不同高度处滚下，测出两球的质量以及它们每次碰撞前后的速度，就可以验证________。
实验装置
小球的质量可以用天平来测量。怎样测量两球碰撞前后瞬间的速度呢？两个小球碰撞前后瞬间的速度方向都是水平的，因此，两球碰撞前后的速度，可以利用________的知识求出。
在这个实验中也可以不测量速度的具体数值。做平抛运动的小球落到地面，它们的下落高度相同，飞行时间也就相同。因此，小球碰撞后的速度之比就等于它们落地时飞行的水平距离之比。根据这一思路，也可以验证________。
实验操作：
注意事项：
(1)“水平”和“正碰”是操作中应尽量予以满足的前提条件。
(2)________。
(3)________________________。
(4)入射球每次都必须从斜槽上同一位置由静止开始滚下。
1．(多选）在“碰撞中的动量守恒实验”中，实验必须要求的条件（ ）
A.斜槽轨道必须光滑
B.斜槽轨道末端的切线必须水平
C.入射小球每次都要从同一高度由静止滚下
D.碰撞的瞬间，入射小球和被碰小球的球心连线与轨道末端的切线平行
2.(多选)在“碰撞中的动量守恒”实验中，仪器按要求安装好后开始实验，第一次不放被碰小球，第二次把被碰小球直接静止放在斜槽末端的水平部分，在白纸上记录下重锤位置和各小球落点的平均位置依次为O、A、B、C，如图所示，设入射小球和被碰小球的质量依次为m1、m2，则下列说法中正确的有（ ）
A． 第一、二次入射小球的落点依次是A、B
B． 第一、二次入射小球的落点依次是B、A
C． 第二次入射小球和被碰小球将同时落地
D． m1AB=m2OC
3.(单选）在做“验证动量守恒定律”实验时，入射球a的质量为m1，被碰球b的质量为m2，各小球的落地点如图所示，下列关于这个实验的说法正确的是( )
A．入射球与被碰球最好采用大小相同、质量相等的小球
B．每次都要使入射小球从斜槽上不同的位置滚下
C．要验证的表达式是
D．要验证的表达式是
4．如图（a）所示，在水平光滑轨道上停着甲、乙两辆实验小车，甲车系一穿过打点计时器的纸带，当甲车受到水平向右的瞬时力时，随即启动打点计时器，甲车运动一段距离后，与静止的乙车发生正碰并连在一起运动，纸带记录下碰撞前甲车和碰撞后两车的运动情况如图（b）所示，电源频率为50Hz，则碰撞前甲车速度大小为________m／s，碰撞后的共同速度大小为________m／s．
某同学利用打点计时器和气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的实验，气垫导轨装置如图甲所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成．在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着一定数量的小孔，向导轨空腔内不断通入压缩空气，压缩空气会从小孔中喷出，使滑块稳定地漂浮在导轨上，如图乙所示，这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差．
（1）下面是实验的主要步骤：
①安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；
②向气垫导轨通入压缩空气；
③把打点计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧，将纸带穿过打点计时器越过弹射架并固定在滑块l的左端，调节打点计时器的高度，直至滑块拖着纸带移动时，纸带始终在水平方向；
④滑块l挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；
⑤把滑块2放在气垫导轨的中间；
⑥先________，然后________，让滑块带动纸带一起运动；
⑦取下纸带，重复步骤④⑤⑥，选出较理想的纸带如图所示：
⑧测得滑块1（包括撞针）的质量为310 g，滑块2（包括橡皮泥）的质量为205 g；
试完善实验步骤⑥的内容．
（2）已知打点计时器每隔0.02 s打一个点，计算可知，两滑块相互作用前质量与速度的乘积之和为______ kg·m／s；两滑块相互作用以后质量与速度的乘积之和为________kg·m／s．（保留三位有效数字）
（3）试说明第（2）问中两结果不完全相等的主要原因是________．
参考答案
1.【答案】BCD
【解析】在同一组实验的不同碰撞中，每次入射球必须从同一高度由静止释放，保证碰前的速度相同即可，斜槽轨道是否光滑对实验的结果没有影响，故A错误；为了保证小球做平抛运动，安装轨道时，轨道末端必须水平，B正确；在同一组实验的不同碰撞中，每次入射球必须从同一高度由静止释放，保证碰前的速度相同，故C正确；为了发生对心碰撞，两球的直径需相同，入射小球和被碰小球的球心连线与轨道末端的切线平行，故D正确。
2.【答案】BCD
【解析】A、入射小球和被碰小球相撞后，被碰小球的速度增大，入射小球的速度减小，碰前碰后都做平抛运动，高度相同，落地时间相同，所以B点是没有碰时入射小球的落地点，A碰后入射小球的落地点，C碰后被碰小球的落地点，故A错误，B正确；C、碰后都做平抛运动，竖直高度相同，所以第二次入射小球和被碰小球将同时落地，故C正确；D、小球做平抛运动，高度决定时间，故时间相等，设为t，则有OB=v10t，OA=v1 t，OC=v2 t小球2碰撞前静止，即v20=0；
根据动量守恒得：m1v10t=m1v1t+m2v2t，即m1OB=m1OA+m2OC，所以m1AB=m2OC，故D正确．
故选BCD．
3.【答案】D
【解析】A、为让两球发生对心碰撞，两球的直径应相等，即两球大小相等，为防止碰撞后入射球反弹，入射球的质量应大于被碰球的质量，故A错误；B、让入射球与被碰球连续10次相碰，为保证球的速度相等，每次都使入射小球从斜槽上相同的位置由静止滚下，故B错误；C、小球离开轨道后做平抛运动，由于小球抛出点的高度相等，它们在空中的运动时间t相等，如果碰撞过程动量守恒，则：，两边同时乘以t得：，即，故D正确，C错误；故选：D
4.【答案】0.6 0.4
【解析】由题图知开始在0.02 s内位移约为1.2×10－2 m，故碰前速度；碰后在0.02 s内位移约为0.8×10－2 m，故碰后速度．
5.【答案】1）接通打点计时器的电源 放开滑块1 （2）0.620 0.618 （3）纸带与打点计时器的限位孔有摩擦
【解析】作用前滑块1的速度，其质量与速度的乘积为0.310 kg×2 m／s=0.620 kg·m／s，作用后滑块1和滑块2具有相同的速度，其质量与速度的乘积之和为(0.310 kg+0.205 kg)×1.2 m／s=0.618 kg·m／s．
1.知道验证动量守恒定律的实验方法有哪些．
2.知道验证过程中需要测量的物理量及其测量方法．
3.能够通过列表法和计算对数据进行处理.
4.知道实验过程中需要注意的事项．
【重点】用两种试验方案验证动量守恒的实验思路与注意事项；
【难点】两种实验方案中各物理量的测量及实验数据分析。
【课前自主学习】
知识前置
实验思路
让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，创造条件，使系统所受外力的矢量和近似为0，满足____________的条件。
物理量的测量
研究对象确定后，还需要明确所需测量的物理量和实验器材。需要测量物体的________，以及两个物体发生碰撞前后各自的________。物体的质量可用________直接测量。
数据分析
选取质量不同的两个物体进行碰撞，测出物体的质量(m1，m2)和碰撞前后的速度(v1，v′1，v2，v2′)，若满足m1v1＋m2v2＝__________________，则验证了碰撞前后总________守恒。
方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
1．实验器材：气垫导轨、______________、天平、________(两个)、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。
2．实验原理：
(1)调整导轨使之处于________状态，并使光电计时器系统正常工作。
(2)速度的测量：记录光电门挡光片的宽度Δx以及光电计时器显示的
挡光时间Δt，利用公式v＝______计算出两滑块碰撞前后的速度。
方案二：研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒
1．实验器材：铁架台，斜槽轨道，两个大小相等、质量______同的小球，重垂线，复写纸，白纸，________，__________，圆规，三角板等。
2．实验的基本思想——转化法：
不易测量量转化为易测量量的实验设计思想。
3．实验原理：(1)让一个质量较大的小球从斜槽上滚下，与放在斜槽末端的另一质量较小的小球发生碰撞，之后两小球都做________运动。
(2)速度的测量：由于两小球下落的高度相同，所以它们的飞行时间________。如果用小球的飞行时间作时间单位，那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平________。
二、新知学习
方案一、研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒实验思路
动量守恒定律的适用条件是________，或者所受外力的矢量和为________。我们生活中的物体受到各种力的作用，难以满足这种理想化的条件。但是，在某些情况下，可以近似满足________的条件。
本案例中，我们利用气垫导轨来减小摩擦力，利用光电计时器测量滑块碰撞前后的速度。实验装置如图所示。可以通过在滑块上添加已知质量的物块来改变碰撞物体的质量。
实验器材:气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、________、细绳、________、胶布、撞针、橡皮泥等．
实验步骤：
1.选取两个质量不同的滑块，在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架（图1），________。
2.在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥（图2），碰撞时撞针插入橡皮泥中，使两个滑块连成一体运动。如果在两个滑块的碰撞端分别贴上尼龙拉扣，________。
图1 滑块碰撞后分 图2 滑块碰撞后粘连
3.原来连在一起的两个物体，由于相互之间具有排斥的力而分开，这也可视为一种碰撞。这种情况可以通过下面的方式实现。在两个滑块间放置轻质弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，并用一根细线将两个滑块固定。烧断细线，弹簧弹开后落下，________________（图3）。
图3 弹簧使静止滑块分开
物理量的测量
(1)滑块的质量用天平直接测量。
(2)速度的测量：________ ，式中的Δx为滑块上挡光板的宽度，Δt为光电计时器记录的滑块上的挡光板经过光电门的时间。
碰撞情境的实现利用轻质弹簧、细线、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等设计各种类型的碰撞，通过在________________的质量。
(1)情境1：________，________；
(2)情境2：两滑块追碰、相向碰，碰撞后分开；
(3)情境3：________________，________________；
(4)情境4：两滑块碰撞后，撞针插入橡皮泥中，使滑块连成一体。
数据记录与处理
(1)规定正方向，碰撞前后速度的方向与正方向相同为正，________。
(2)通过计算碰撞前后的总动量，检验是否满足动量守恒定律。
方案二、研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒
本案例中，我们研究两个小球在斜槽末端发生碰撞的情况。
实验器材
斜槽、________(两个)、________、复写纸、白纸等．
测质量：用天平测出两个小球的质量，并选质量大的小球为入射小球。
实验装置：
将斜槽安装在水平桌面上，并调整斜槽使其末端水平，________，上面再铺好复写纸，记下重垂线所指的位置O。
实验操作：
如图所示。将斜槽固定在铁架台上，使槽的末端水平。让一个质量较大的小球（入射小球）从斜槽上滚下跟放在斜槽末端的另一个大小相同、________________。
使入射小球从斜槽不同高度处滚下，测出两球的质量以及它们每次碰撞前后的速度，就可以验证________。
实验装置
小球的质量可以用天平来测量。怎样测量两球碰撞前后瞬间的速度呢？两个小球碰撞前后瞬间的速度方向都是水平的，因此，两球碰撞前后的速度，可以利用________的知识求出。
在这个实验中也可以不测量速度的具体数值。做平抛运动的小球落到地面，它们的下落高度相同，飞行时间也就相同。因此，小球碰撞后的速度之比就等于它们落地时飞行的水平距离之比。根据这一思路，也可以验证________。
实验操作：
注意事项：
(1)“水平”和“正碰”是操作中应尽量予以满足的前提条件。
(2)________。
(3)________________________。
(4)入射球每次都必须从斜槽上同一位置由静止开始滚下。
1．(多选）在“碰撞中的动量守恒实验”中，实验必须要求的条件（ ）
A.斜槽轨道必须光滑
B.斜槽轨道末端的切线必须水平
C.入射小球每次都要从同一高度由静止滚下
D.碰撞的瞬间，入射小球和被碰小球的球心连线与轨道末端的切线平行
2.(多选)在“碰撞中的动量守恒”实验中，仪器按要求安装好后开始实验，第一次不放被碰小球，第二次把被碰小球直接静止放在斜槽末端的水平部分，在白纸上记录下重锤位置和各小球落点的平均位置依次为O、A、B、C，如图所示，设入射小球和被碰小球的质量依次为m1、m2，则下列说法中正确的有（ ）
A． 第一、二次入射小球的落点依次是A、B
B． 第一、二次入射小球的落点依次是B、A
C． 第二次入射小球和被碰小球将同时落地
D． m1AB=m2OC
3.(单选）在做“验证动量守恒定律”实验时，入射球a的质量为m1，被碰球b的质量为m2，各小球的落地点如图所示，下列关于这个实验的说法正确的是( )
A．入射球与被碰球最好采用大小相同、质量相等的小球
B．每次都要使入射小球从斜槽上不同的位置滚下
C．要验证的表达式是
D．要验证的表达式是
4．如图（a）所示，在水平光滑轨道上停着甲、乙两辆实验小车，甲车系一穿过打点计时器的纸带，当甲车受到水平向右的瞬时力时，随即启动打点计时器，甲车运动一段距离后，与静止的乙车发生正碰并连在一起运动，纸带记录下碰撞前甲车和碰撞后两车的运动情况如图（b）所示，电源频率为50Hz，则碰撞前甲车速度大小为________m／s，碰撞后的共同速度大小为________m／s．
某同学利用打点计时器和气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的实验，气垫导轨装置如图甲所示，所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成．在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着一定数量的小孔，向导轨空腔内不断通入压缩空气，压缩空气会从小孔中喷出，使滑块稳定地漂浮在导轨上，如图乙所示，这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差．
（1）下面是实验的主要步骤：
①安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；
②向气垫导轨通入压缩空气；
③把打点计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧，将纸带穿过打点计时器越过弹射架并固定在滑块l的左端，调节打点计时器的高度，直至滑块拖着纸带移动时，纸带始终在水平方向；
④滑块l挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳；
⑤把滑块2放在气垫导轨的中间；
⑥先________，然后________，让滑块带动纸带一起运动；
⑦取下纸带，重复步骤④⑤⑥，选出较理想的纸带如图所示：
⑧测得滑块1（包括撞针）的质量为310 g，滑块2（包括橡皮泥）的质量为205 g；
试完善实验步骤⑥的内容．
（2）已知打点计时器每隔0.02 s打一个点，计算可知，两滑块相互作用前质量与速度的乘积之和为______ kg·m／s；两滑块相互作用以后质量与速度的乘积之和为________kg·m／s．（保留三位有效数字）
（3）试说明第（2）问中两结果不完全相等的主要原因是________．
参考答案
1.【答案】BCD
【解析】在同一组实验的不同碰撞中，每次入射球必须从同一高度由静止释放，保证碰前的速度相同即可，斜槽轨道是否光滑对实验的结果没有影响，故A错误；为了保证小球做平抛运动，安装轨道时，轨道末端必须水平，B正确；在同一组实验的不同碰撞中，每次入射球必须从同一高度由静止释放，保证碰前的速度相同，故C正确；为了发生对心碰撞，两球的直径需相同，入射小球和被碰小球的球心连线与轨道末端的切线平行，故D正确。
2.【答案】BCD
【解析】A、入射小球和被碰小球相撞后，被碰小球的速度增大，入射小球的速度减小，碰前碰后都做平抛运动，高度相同，落地时间相同，所以B点是没有碰时入射小球的落地点，A碰后入射小球的落地点，C碰后被碰小球的落地点，故A错误，B正确；C、碰后都做平抛运动，竖直高度相同，所以第二次入射小球和被碰小球将同时落地，故C正确；D、小球做平抛运动，高度决定时间，故时间相等，设为t，则有OB=v10t，OA=v1 t，OC=v2 t小球2碰撞前静止，即v20=0；
根据动量守恒得：m1v10t=m1v1t+m2v2t，即m1OB=m1OA+m2OC，所以m1AB=m2OC，故D正确．
故选BCD．
3.【答案】D
【解析】A、为让两球发生对心碰撞，两球的直径应相等，即两球大小相等，为防止碰撞后入射球反弹，入射球的质量应大于被碰球的质量，故A错误；B、让入射球与被碰球连续10次相碰，为保证球的速度相等，每次都使入射小球从斜槽上相同的位置由静止滚下，故B错误；C、小球离开轨道后做平抛运动，由于小球抛出点的高度相等，它们在空中的运动时间t相等，如果碰撞过程动量守恒，则：，两边同时乘以t得：，即，故D正确，C错误；故选：D
4.【答案】0.6 0.4
【解析】由题图知开始在0.02 s内位移约为1.2×10－2 m，故碰前速度；碰后在0.02 s内位移约为0.8×10－2 m，故碰后速度．
5.【答案】1）接通打点计时器的电源 放开滑块1 （2）0.620 0.618 （3）纸带与打点计时器的限位孔有摩擦
【解析】作用前滑块1的速度，其质量与速度的乘积为0.310 kg×2 m／s=0.620 kg·m／s，作用后滑块1和滑块2具有相同的速度，其质量与速度的乘积之和为(0.310 kg+0.205 kg)×1.2 m／s=0.618 kg·m／s．