新教材高中物理选择性必修1 第1章动量守恒定律第4节实验：验证动量守恒定律课件(共53张PPT)

(共53张PPT)
实验：验证动量守恒定律
在一维碰撞中，测出两物体的质量m1和m2碰撞前后两物体的速度v1、v2和v′1、v′2，算出碰撞前的动量p＝ 及碰撞后的动量p′＝ ，看碰撞前后动量是否守恒．
二、实验器材
方案一：气垫导轨、光电计时器、 、 、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等．
m1v1＋m2v2
m1v1′＋m2v2′
天平
滑块(两个)
一、实验原理
方案二：带细线的 、铁架台、 、量角器、坐标纸、胶布等．
方案三：光滑长木板、 、纸带、
、天平、撞针、橡皮泥．
方案四：斜槽、 、天平、 、白纸等．
三、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 测出滑块质量．
2．安装：正确安装好气垫导轨．
摆球(两套)
天平
打点计时器
小车
(两个)
小球(两个)
复写纸
天平
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(①改变滑块的质量．②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
1．测质量：用天平测出 .
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 ，拉起另一个小球，放下时它们相碰．
两小球的质量m1、m2
静止
4．测速度：可以测量小球 ，从而算出碰撞前对应小球的 ，测量碰撞后小球
，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：在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验
1．测质量：用天平测出 ．
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．
被拉起的角度
速度
摆起的角度
两小车的质量
两计数点间的距离及时间
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 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：利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律
1．用 测出两小球的质量，并选定 小球为入射小球．
2．按图所示安装实验装置．调整固定斜槽使
．
天平
质量大的
斜槽底端
切线水平
3．白纸在下，复写纸在上且在适当位置铺放好．记下重垂线所指的位置O.
4．不放被撞小球，让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下，重复10次．用圆规画 把所有的小球落点圈在里面． 就是小球落点的平均位置．
5．把被撞小球放在斜槽末端，让入射小球从斜槽同一高度自由滚下，使它们发生碰撞，重复实验10次．用步骤4的方法，标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N.如图所示．
尽量小的圆
圆心P
6．连接ON，测量线段 ．将测
量数据填入表中．最后代入 ，
看在误差允许的范围内是否成立．
7．整理好实验器材放回原处．
8．实验结论：
在实验误差范围内， ．
OP、OM、ON的长度
碰撞系统的动量守恒
7．整理好实验器材放回原处．
8．实验结论：
在实验误差范围内， ．
四、注意事项
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 ．
碰撞系统的动量守恒
导轨水平
(2)若利用摆球进行实验，两小球静放时球心应在
，且刚好接触，摆线竖直，将小球拉起后，两条摆线应在 ．
(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．
(4)若利用斜槽进行实验，入射球质量要 被碰球质量即：m1>m2，防止碰后m1被反弹．
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．
同一水平线上
同一竖直平面内
大于
1．系统误差：主要来源于装置本身是否符合要求，即：
(1)碰撞是否为一维碰撞．
(2)实验是否满足动量守恒的条件：如气垫导轨是否水平，两球是否等大，长木板实验是否平衡掉摩擦力．
2．偶然误差：主要来源于 ．
质量m和速度v的测量
五、误差分析
例1 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甲所示，在小车后连接着纸带，电磁打点计时器使用的电源频率为50 Hz，长木板垫着小木片以平衡摩擦力．
(1)若已得到打点纸带如图乙所示，并测得各计数点间距(标在图上)．A为运动起点，则应该选择__________段来计算A碰前的速度，应选择__________段来计算A和B碰后的共同速度．(以上空格选填“AB”“BC” “CD” “DE”)．
题型一：对实验原理和数据处理的考查
(2)已测得小车A的质量m1＝0.40 kg，小车B的质量m2＝0.20 kg，由以上测量结果可得碰前m1v0＝____kg·m/s；碰后(m1＋m2)v共＝________kg·m/s.由此得出结论____．
例2 某同学利用如图所示的装置验
证动量守恒定律．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1∶2.当两摆均
处于自由静止状态时，其侧面刚好接触．向右上方拉动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，且最大摆角成30°.若本实验允许的最大误差为±4%，此实验是否成功地验证了动量守恒定律？
题型二：实验的创新
1．某同学利用打点计时器和气垫导轨做验证动量守恒定律的实验，气垫导轨装置如图(a)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，空气会从小孔中喷出，使滑块稳定地漂浮在导轨上，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与弹射架并固定在滑块1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使滑块1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，选出理想的纸带如图(b)所示；
接通打点计时器的电源
放开滑块1
⑧测得滑块1的质量310 g，滑块2(包括橡皮泥)的质量为205 g．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系统的总动量为 kg·m/s；两滑块相互作用后系统的总动量为 kg·m/s(保留三位有效数字)．
(3)试说明(2)中两结果不完全相等的主要原因是
．
0.620
0.618
纸带与打点计时器限位孔间存在摩擦
2．某同学用图所示的装置通过半径相同的A、B两球(mA>mB)的碰撞来验证动量守恒定律．图中PQ是斜槽，QR为水平槽．实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下，落到位于水平地面的记录纸上，留下痕迹．重复上述操作10次，得到10个落点痕迹．再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，让A球仍从位置G由静止开始滚下，和B球碰撞后，A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹．重复这种操作10次．图甲中O点是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点．B球落点痕迹如图乙所示，其中米尺水平放置，且平行于G、R、O所在的平面，米尺的零点与O点对齐．
(1)碰撞后B球的水平射程应取为 cm；
65.7(65.5～65.9均可)
*(2)在以下选项中，哪些是本次实验必须进行的测量( )
A．水平槽上未放B球时，测量A球落点位置到O点的距离
B．A球与B球碰撞后，测量A球落点位置到O点的距离
C．测量A球或B球的直径
D．测量A球和B球的质量(或两球质量之比)
E．测量O点相对于水平槽面的高度
ABD
(3)实验中，对入射小球在斜槽上释放点的高低对实验影响的说法中正确的是( )
A．释放点越低，小球受阻力越小，入射小球速度越小，误差越小
B．释放点越低，两球碰后水平位移越小，水平位移测量的相对误差越小，两球速度的测量越准确
C．释放点越高，两球相碰时，相互作用的内力越大，碰撞前后动量之差越小，误差越小
D．释放点越高，入射小球对被碰小球的作用力越大，轨道对被碰小球的阻力越小
C
【解析】(1)如题图所示，用一尽可能小的圆把小球落点圈在里面，由此可见圆心C的位置是65.7 cm，这也是小球落点的平均位置．
(2)本实验中要测量的数据有：两个小球的质量m1、m2，三个落点的距离s1、s2、s3，所以应选A、B、D.
(3)入射球的释放点越高，入射球碰前速度越大，相碰时内力越大，阻力的影响相对减小，可以较好地满足动量守恒的条件，也有利于减少测量水平位移时的相对误差，从而使实验的误差减小，选项C正确．
【巩固基础】
1．如图所示为“验证碰撞中的动量守恒”的实验装置．
(1)下列说法中不符合本实验要求的是( )
A．入射球比靶球质量大或者小均可，但二者的直径必须相同
B．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
C．安装轨道时末端的切线必须水平
D．需要的测量仪器有天平和刻度尺
A
【解析】本题考查碰撞过程中动量守恒定律．(1)本实验要求入射球比靶球质量大，故A选项不合要求；每次入射球必须从同一高度由静止释放，才能保证每次入射的初动量相同，故B选项正确；本实验利用平抛运动求速度，把求速度转为求水平方向位移，从而使该实验得到简化，要保证小球每次都做平抛运动，所以轨道末端的切线必须水平，故C选项正确；根据需要验证表达式可知D选项正确．②根据动量守恒分析可得．
2．在验证碰撞中动量守恒的实验中，实验要证明的是动量守恒定律的成立，即m1v1＝m1v1′＋m2v2′.
(1)按这一公式的要求，需测量两小球的质量和它们碰撞前后的水平速度，但实验中我们只需测量两小球的质量和飞行的水平距离. 这是由于小球碰撞后做 运动，各球下落高度相同，因而它们的 也是相同的，可用小球飞行的水平距离来代表小球的水平速度.
平抛
飞行时间
(2)实验时，质量分别为m1、
m2的球半径大小均为r，且
为已知，要完成这个实验，
必须补充的测量工具还有 ．
(3)由于偶然因素的存在，重复操作时小球落点不完全重合是正常的，落点(如P点)的确定办法是
.
毫米刻度尺
用一尽可
能小的圆把所有的落点都圈在里面，其圆心位置就是
小球落点的平均位置
(4)用图中的符号来表示A、B两小球碰撞中动量守恒的表达式是 .
(5)两球质量应满足m1 m2.
>
3．气垫导轨(如右图)工作
时，空气从导轨表面的小
孔喷出，在导轨表面和滑
块内表面之间形成一层薄
薄的空气层，使滑块不与导轨表面直接接触，大大减小了滑块运动时的阻力．为了验证动量守恒定律，在水平气垫导轨上放置两个质量均为a的滑块，每个滑块的一端分别与穿过打点计时器的纸带相连，两个打点计时器所用电源的频率均为b.气垫导轨正常工作后，接通两个打点计时器的电源，并让两滑块以不同的速度相向运动，两滑块相碰后粘在一起继续运动．下图为某次实验打出的点迹清晰的纸带的一部分，在纸带
上以相同间距的6个连续点为一段划分纸带，用刻度尺分别量出其长度s1、s2和s3.若题中各物理量的单位均为国际单位，那么，碰撞前两滑块的动量大小分别为 、 ，两滑块的总动量大小为 ；碰撞后两滑块的总动量大小为 .重复上述实验，多做几次．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．
0.2abs1
0.2abs3
0.2ab(s1－s3)
0.4abs2
4．如图所示，在实验室
用两端带有竖直挡板C和
D的气垫导轨和有固定挡
板的质量都是M的滑块A
和B做“探究碰撞中的守恒量”的实验，实验步骤如下：
Ⅰ.把两滑块A和B紧贴在一起，在A上放质量为m的砝码，置于导轨上，用电动卡销卡住A和B，在A和B的固定挡板间放入一轻弹簧，使弹簧处于水平方向上的压缩状态；
【提升能力】
Ⅱ.按下电钮使电动卡销放开，同时启动两个记录两滑块运动时间的电子计时器，当A和B与固定挡板C和D碰撞的同时，电子计时器自动停表，记下A至C的运动时间t1，B至D的运动时间t2；
Ⅲ.重复几次，取t1和t2的平均值．
(1)在调整气垫导轨时应注意 ；
(2)应测量的数据还有
；
(3)只要关系式 成立，即可得出碰撞中守恒的量是mv的矢量和．
使气垫导轨水平
滑块A的左端到挡板C的距离s1
和滑块B的右端到挡板D的距离s2
5．某同学把两个质量不同
的木块用细线连接，中间
夹一个被压缩了的轻弹簧，
如图所示，将此系统置于光滑水平桌面上，烧断细线，观察两物体的运动情况，进行必要的测量，验证两物体相互作用的过程中动量守恒.
(1)该同学还需具备的器材是 ；
(2)需要直接测量的数据是
；
(3)用得到的数据验证动量守恒的关系式是
.
刻度尺、天平
两木块质量m1、m2及
其做平抛运动的水平位移x1、x2
m1x1＝m2x2
6．在“验证动量守恒定律”的实验中，请回答下列问题.
(1)实验记录如图甲所示，则A球碰前做平抛运动的水平位移是图中的 ，B球被碰后做平抛运动的水平位移是图中的 . (两空均选填“OM”、“OP”或“ON”)
(2)小球A下滑过程中与斜槽轨道间存在摩擦力，这对实验结果 产生误差(选填“会”或“不会”).
OP
ON
不会
(3)实验装置如图甲所示，A球为入射小球，B球为被碰小球，以下所列举的在实验过程中必须满足的条件是
A．入射小球的质量ma，可以小
于被碰小球的质量mb
B．实验时需要测量斜槽末端到
水平地面的高度
C．入射小球每次不必从斜槽上的同一位置由静止释放
D．斜槽末端的切线必须水平，小球放在斜槽末端处，应能静止
(4)在“验证动量守恒定律”的实验中. 某同学用如图乙所示的装置进行了如下的操作：
D
①先调整斜槽轨道，使末端的切线水平，在一块平木板表面先后钉上白纸和复写纸，并将该木板竖直立于靠近槽口处，使小球a从斜槽轨道上某固定点处由静止释放，撞到木板并在白纸上留下痕迹O.
②将木板向右平移适当的距离，再使小球a从原固定点由静止释放，撞在木板上并在白纸上留下痕迹B.
③把半径相同的小球b静止放在斜槽轨道水平段的最右端，让小球a仍从原固定点由静止释放，和小球b相碰后，两球撞在木板上并在白纸上留下痕迹A和C.
7．用如图所示的装置进行
“验证动量守恒定律”的实
验：
(1)先测出可视为质点的两滑块A、B的质量分别为m、M及滑块与桌面间的动摩擦因数μ.
(2)用细线将滑块A、B连接，使A、B间的轻弹簧处于压缩状态，滑块B恰好紧靠桌边.
(3)剪断细线，测出滑块B做平拋运动的水平位移x1，滑块A沿水平桌面滑行距离为x2(未滑出桌面)．
为验证动量守恒定律，写出还需测量的物理量及表示它们的字母 ；如果动量守恒，需
要满足的关系式为 .
桌面离地高度h
【再上台阶】
8．*(1)“验证动量守恒定律”的实验装置原来的教科书采用图甲的方法，经过编者修改后，现行的教科书采用图乙的方法．两个实验装置的区别在于：①悬挂重垂线的位置不同；②图甲中设计有一个支柱(通过调整，可使两球的球心在同一水平线上．上面的小球被碰离开后，支柱立即倒下)，图乙中没有支柱，图甲中的入射小球和被碰小球做平抛运动的抛出点分别在通过O、O′点的竖直线上，重垂线只确定了O点的位置，比较这两个实验装置，下列说法正确的是( )
A．采用图甲的实验装置时，需要测出两小球的直径
B．采用图乙的实验装置时，需要测出两小球的直径
C．为了减小误差，采用图甲的实验装置时，应使斜槽末端水平部分尽量光滑
D．为了减小误差，采用图乙的实验装置时，应使斜槽末端水平部分尽量光滑
(2)在做“碰撞中的动量守恒”实验中：
①如果采用(1)中乙图装置做“碰撞中的动量守恒”实验，某次实验得出小球的落点情况如图所示，图中数据单位为cm，假设碰撞动量守恒，则之比m1∶m2＝ ．
②在实验中根据小球的落点情况，若等式ON＝
成立，则还可证明碰撞中前后系统的动能相等．
4∶1
OM＋OP