物理人教版（2019）选择性必修第一册1.4 实验：验证动量守恒定律（共38张ppt）
文档属性
| 名称 | 物理人教版（2019）选择性必修第一册1.4 实验：验证动量守恒定律（共38张ppt） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 3.4MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2023-03-27 19:03:30 | ||
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文档简介
(共38张PPT)
1.4实验：验证动量守恒定律
人教版（2019）物理选择性必修第一册
第一章 动量守恒定律
新课引入
前面我们学习了动量、动量定理，上节课我们通过牛顿运动定律和动量定理得到了动最守恒定律，知道了动量守恒定律的内容和条件，能够用动量的相关知识解释一些生活中的现象。
动量守恒律的内容和表达式是什么？
物体间动量守恒的条件是什么？
回忆上一节动量守恒定律
动量守恒定律的适用条件是系统不受外力或者所受外力的矢量和为0。
我们生活中的碰撞，很难达到这种理想化的条件。
方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
实验思路：
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。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。
方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
实验器材：气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等
1.实验方案
(1)实验装置如图所示.
二、进行实验
方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
(2)实验设计.
情形①:在两个滑块之间放置轻质弹簧,挤压两个滑块使弹簧压缩,并用一根细线将两个滑块固定,且使它们静止.烧断细线,弹簧弹开后落下,两个滑块由静止向相反方向运动(图甲).
情形②:在两滑块相碰的端面装上弹性碰撞架(图乙),滑块碰撞后随即分开.这样可以得到能量损失很小的碰撞.
情形③:在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥(图丙),碰撞时撞针插入橡皮泥中,两个滑块连成一体运动,这样可以得到能量损失很大的碰撞.
甲
乙
丙
2.实验步骤
实验过程均可按实验方案合理安排,参考步骤如下:
(1)用天平测量碰撞物体的质量m1、m2;
(2)安装实验装置;
(3)使物体发生一维碰撞;
(4)测量或读出碰撞前后相关的物理量,计算对应的速度;
(5)改变碰撞条件,重复步骤(3)(4);
(6)进行数据处理,通过分析比较,验证动量守恒定律;
(7)整理器材,结束实验.
3.数据记录及分析
将实验中测得的物理量填入下表,填表时需注意物体碰撞后运动的速度与原来的方向相反的情况.分析碰撞前后系统动量是否守恒.
项目 碰撞前 碰撞后
质量m/kg m1 m2 m1 m2
速度v/(m·s-1) v1 v2 v1' v2'
mv/(kg·m·s-1) m1v1+m2v2 m1v1'+m2v2'
方案二:研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒
1.实验方案
实验装置如图所示.
(1)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.
(2)位移测量:分别测量不碰撞时小球的水平位移和两小球碰撞后各自的水平位移.
(3)安装:将斜槽固定在铁架台上,并调整斜槽末端水平,在桌面上铺上白纸,上面再铺好复写纸,记下铅垂线所指的位置O.
m1
m2
【实验目的】
验证碰撞中两小球的总动量守恒
【实验原理】
质量为m1和m2两个小球发生正碰，若碰前m1运动， m2静止
m1 >m2
m1
m2
为防止碰后反弹
【实验器材】
碰撞实验器（斜槽）、半径相同质量不同的小球两个、重垂线一条、白纸、复写纸、天平、刻度尺、圆规
【实验步骤】
1.用天平测出两个小球的质量m1、m2。选质量大的作为入射球m1
游码
调平旋钮
左物右码
【实验步骤】
2.按图安装好实验装置，使斜槽的末端切线水平（检测）
3.在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸，当小球落在复写纸上时，便在白纸上留下了小球落地的痕迹。
4.在白纸上记下重锤线所指的位置O
【实验步骤】
5.先不放上被碰小球，让入射小球从斜槽上同一高度滚下，重复10次，用尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面，圆心P就是小球落点的平均位置
6.把被碰小球放在斜槽前端边缘处，让入射小球从原来的高度滚下，使它们碰撞。重复实验10次，用同样的方法标出碰撞后入射小球落点的平均位置M和被碰小球落点的平均位置N
【实验步骤】
7.用刻度尺测量线段OM、OP、ON的长度。把两个小球的质量和相应的长度数值代入m1OP=m1OM+m2ON看是否成立。
8.整理好实验器材放回原处
【数据处理】
如图所示,连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度,分析在误差允许的范围内m1xOP=m1xOM+m2xON是否成立.
三、实验结论
.
在误差允许的范围内m1xOP=m1xOM+m2xON成立,碰撞前后系统动量守恒
典型例题
例1.如图所示，木块A和木块B用一根轻质弹簧连在一起静置于光滑水平地面上。某时刻木块A获得一瞬时速度，在弹簧压缩过程中，关于木块A、木块B构成的系统（不包含弹簧），下列说法正确的是（ ）
A．系统动量守恒，机械能守恒
B．系统动量守恒，机械能不守恒
C．系统动量不守恒，机械能守恒
D．系统动量不守恒，机械能不守恒
B
例2.如图所示，A、B两木块紧靠在一起且静止于光滑水平面上，物块C以一定的初速度v0从A的左端开始向右滑行，最后停在B木块的右端，对此过程，下列叙述正确的是( )
A．当C在A上滑行时，A、C组成的系统动量守恒
B．当C在B上滑行时，B、C组成的系统动量守恒
C．无论C是在A上滑行还是在B上滑行，A、B、C三物块组成的系统动量都守恒
D．当C在B上滑行时，A、B、C组成的系统动量不守恒
BC
例3.如图所示，在光滑的水平面上有A、B两小球。A球质量为3m，以水平速度v向右运动，B球静止，质量为2m，A、B两球发生正碰后结合在一起运动的速度为（ ）
A．0.4v
B．0.6v
C．0.8v
D．1.5v
B
例3、某同学利用气垫导轨做验证动量守恒定律的实验,气垫导轨装置如图所示,所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成。
(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接通数字计时器;
④把滑块2静止放在气垫导轨的中间;
⑤滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳;
⑥释放滑块1,滑块1通过光电门1后与左侧带有固定弹簧(未画出)的滑块2碰撞,碰后滑块2和滑块1依次通过光电门2,两滑块通过光电门2后依次被制动;
⑦读出滑块通过光电门的挡光时间,滑块1通过光电门1的挡光时间Δt1=10.01 ms,通过光电门2的挡光时间Δt2=49.99 ms,滑块2通过光电门2的挡光时间Δt3=8.35 ms;
⑧测出挡光板的宽度d=5 mm,测得滑块1的质量为m1=300 g,滑块2(包括弹簧)的质量为m2=200 g。
(2)数据处理与实验结论:
①实验中气垫导轨的作用是
A. ;
B. 。
②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;碰撞后滑块2的速度v3为 m/s。(结果均保留两位有效数字)
③系统碰撞之前m1v1= kg·m/s,系统碰撞之后m1v2+m2v3=
kg·m/s。
④实验结论: 。
答案:见解析
解析:(2)①A.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。
③系统碰撞之前m1v1=0.15 kg·m/s,系统碰撞之后m1v2+m2v3=0.15 kg·m/s。
④在误差允许的范围内,滑块碰撞前后系统的总动量不变。
科学思维 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。
3.实验误差存在的主要原因是摩擦力的作用。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。
例4、如图所示,用碰撞实验器可以验证动量守恒定律,即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。
(1)实验中直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的,但可以通过仅测量
(填选项前的字母)间接地
解决这个问题。
A.小球开始释放高度h
B.小球抛出点距地面的高度h'
C.小球做平抛运动的射程
(2)图中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影。实验时,先让入射球m1多次从斜轨上S位置静止释放,找到其平均落地点的位置P,测量平抛射程lOP。然后,把被碰小球m2静置于轨道的水平部分,再将入射球m1从斜轨上S位置静止释放,与小球m2相碰,并多次重复。
接下来要完成的必要步骤是 。(填选项前的字母)
A.用天平测量两个小球的质量m1、m2
B.测量小球m1开始释放时的高度h
C.测量抛出点距地面的高度h'
D.分别找到m1、m2相碰后平均落地点的位置M、N
E.测量平抛射程lOM、lON
(3)经测定,m1=45.0 g,m2=7.5 g,小球落地点的平均位置距O点的距离如图所示。碰撞前后m1的动量分别为p1与p1',则p1∶p1'= ∶11;若碰撞结束时m2的动量为p2',则p1'∶p2'=11∶ 。实验结果说明,碰撞前后总动量的比值 = 。
答案:(1)C (2)ADE (3)14 2.9 1.01
故只需测射程,因而选C。
(2)由表达式知,在lOP已知时,需测量m1、m2、lOM和lON,故必要步骤有A、D、E。
科学思维 本题利用平抛运动规律,巧妙地提供了一种测量两球碰撞前后速度的方法,由于平抛运动高度相同,下落时间相等,速度的测量可转化为距离的测量。
例5、某同学设计了一个用打点计时器验证动量守恒定律的实验:在小车甲的前端粘有橡皮泥,推动小车甲使之做匀速直线运动,然后与原来静止在前方的小车乙相碰并粘合成一体,而后两车继续做匀速直线运动,他设计的具体装置如图所示。在小车甲后连着纸带,打点计时器打点频率为50 Hz,长木板一端下面垫着小木片用以平衡摩擦力。
(1)若已得到打点纸带如图所示,并将测得的各计数点间距离标在图上,A点是运动起始的第一点,则应选 段来计算甲的碰前速度,应选 段来计算甲和乙碰后的共同速度(以上两空均选填“AB”“BC”“CD”或“DE”)。
(2)已测得小车甲的质量m甲=0.40 kg,小车乙的质量m乙=0.20 kg,由以上测量结果可得:碰前m甲v甲+m乙v乙= kg·m/s;碰后m甲v甲'+m乙v乙'=
kg·m/s(结果保留3位有效数字)。
(3)由(2)可得出的结论是 。
答案:(1)BC DE (2)0.420 0.417 (3)在误差允许范围内,碰撞前后两个小车的总动量是守恒的
解析:(1)观察打点计时器打出的纸带,点迹均匀的阶段BC应为小车甲与乙碰前的阶段,CD段点迹不均匀,故CD段应为碰撞阶段,甲、乙碰撞后一起做匀速直线运动,打出间距均匀的点,故应选DE段计算碰后共同的速度。
m甲v甲'+m乙v乙'=0.417 kg·m/s。
(3)在误差允许范围内,碰撞前后两个小车的总动量是守恒的。
科学思维 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,求小车速度。
课堂小结
注意事项
课后作业
课本练习与应用
谢谢聆听
1.4实验：验证动量守恒定律
人教版（2019）物理选择性必修第一册
第一章 动量守恒定律
新课引入
前面我们学习了动量、动量定理，上节课我们通过牛顿运动定律和动量定理得到了动最守恒定律，知道了动量守恒定律的内容和条件，能够用动量的相关知识解释一些生活中的现象。
动量守恒律的内容和表达式是什么？
物体间动量守恒的条件是什么？
回忆上一节动量守恒定律
动量守恒定律的适用条件是系统不受外力或者所受外力的矢量和为0。
我们生活中的碰撞，很难达到这种理想化的条件。
方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
实验思路：
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。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。
方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
实验器材：气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等
1.实验方案
(1)实验装置如图所示.
二、进行实验
方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
(2)实验设计.
情形①:在两个滑块之间放置轻质弹簧,挤压两个滑块使弹簧压缩,并用一根细线将两个滑块固定,且使它们静止.烧断细线,弹簧弹开后落下,两个滑块由静止向相反方向运动(图甲).
情形②:在两滑块相碰的端面装上弹性碰撞架(图乙),滑块碰撞后随即分开.这样可以得到能量损失很小的碰撞.
情形③:在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥(图丙),碰撞时撞针插入橡皮泥中,两个滑块连成一体运动,这样可以得到能量损失很大的碰撞.
甲
乙
丙
2.实验步骤
实验过程均可按实验方案合理安排,参考步骤如下:
(1)用天平测量碰撞物体的质量m1、m2;
(2)安装实验装置;
(3)使物体发生一维碰撞;
(4)测量或读出碰撞前后相关的物理量,计算对应的速度;
(5)改变碰撞条件,重复步骤(3)(4);
(6)进行数据处理,通过分析比较,验证动量守恒定律;
(7)整理器材,结束实验.
3.数据记录及分析
将实验中测得的物理量填入下表,填表时需注意物体碰撞后运动的速度与原来的方向相反的情况.分析碰撞前后系统动量是否守恒.
项目 碰撞前 碰撞后
质量m/kg m1 m2 m1 m2
速度v/(m·s-1) v1 v2 v1' v2'
mv/(kg·m·s-1) m1v1+m2v2 m1v1'+m2v2'
方案二:研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒
1.实验方案
实验装置如图所示.
(1)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.
(2)位移测量:分别测量不碰撞时小球的水平位移和两小球碰撞后各自的水平位移.
(3)安装:将斜槽固定在铁架台上,并调整斜槽末端水平,在桌面上铺上白纸,上面再铺好复写纸,记下铅垂线所指的位置O.
m1
m2
【实验目的】
验证碰撞中两小球的总动量守恒
【实验原理】
质量为m1和m2两个小球发生正碰，若碰前m1运动， m2静止
m1 >m2
m1
m2
为防止碰后反弹
【实验器材】
碰撞实验器（斜槽）、半径相同质量不同的小球两个、重垂线一条、白纸、复写纸、天平、刻度尺、圆规
【实验步骤】
1.用天平测出两个小球的质量m1、m2。选质量大的作为入射球m1
游码
调平旋钮
左物右码
【实验步骤】
2.按图安装好实验装置，使斜槽的末端切线水平（检测）
3.在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸，当小球落在复写纸上时，便在白纸上留下了小球落地的痕迹。
4.在白纸上记下重锤线所指的位置O
【实验步骤】
5.先不放上被碰小球，让入射小球从斜槽上同一高度滚下，重复10次，用尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面，圆心P就是小球落点的平均位置
6.把被碰小球放在斜槽前端边缘处，让入射小球从原来的高度滚下，使它们碰撞。重复实验10次，用同样的方法标出碰撞后入射小球落点的平均位置M和被碰小球落点的平均位置N
【实验步骤】
7.用刻度尺测量线段OM、OP、ON的长度。把两个小球的质量和相应的长度数值代入m1OP=m1OM+m2ON看是否成立。
8.整理好实验器材放回原处
【数据处理】
如图所示,连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度,分析在误差允许的范围内m1xOP=m1xOM+m2xON是否成立.
三、实验结论
.
在误差允许的范围内m1xOP=m1xOM+m2xON成立,碰撞前后系统动量守恒
典型例题
例1.如图所示，木块A和木块B用一根轻质弹簧连在一起静置于光滑水平地面上。某时刻木块A获得一瞬时速度，在弹簧压缩过程中，关于木块A、木块B构成的系统（不包含弹簧），下列说法正确的是（ ）
A．系统动量守恒，机械能守恒
B．系统动量守恒，机械能不守恒
C．系统动量不守恒，机械能守恒
D．系统动量不守恒，机械能不守恒
B
例2.如图所示，A、B两木块紧靠在一起且静止于光滑水平面上，物块C以一定的初速度v0从A的左端开始向右滑行，最后停在B木块的右端，对此过程，下列叙述正确的是( )
A．当C在A上滑行时，A、C组成的系统动量守恒
B．当C在B上滑行时，B、C组成的系统动量守恒
C．无论C是在A上滑行还是在B上滑行，A、B、C三物块组成的系统动量都守恒
D．当C在B上滑行时，A、B、C组成的系统动量不守恒
BC
例3.如图所示，在光滑的水平面上有A、B两小球。A球质量为3m，以水平速度v向右运动，B球静止，质量为2m，A、B两球发生正碰后结合在一起运动的速度为（ ）
A．0.4v
B．0.6v
C．0.8v
D．1.5v
B
例3、某同学利用气垫导轨做验证动量守恒定律的实验,气垫导轨装置如图所示,所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成。
(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接通数字计时器;
④把滑块2静止放在气垫导轨的中间;
⑤滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳;
⑥释放滑块1,滑块1通过光电门1后与左侧带有固定弹簧(未画出)的滑块2碰撞,碰后滑块2和滑块1依次通过光电门2,两滑块通过光电门2后依次被制动;
⑦读出滑块通过光电门的挡光时间,滑块1通过光电门1的挡光时间Δt1=10.01 ms,通过光电门2的挡光时间Δt2=49.99 ms,滑块2通过光电门2的挡光时间Δt3=8.35 ms;
⑧测出挡光板的宽度d=5 mm,测得滑块1的质量为m1=300 g,滑块2(包括弹簧)的质量为m2=200 g。
(2)数据处理与实验结论:
①实验中气垫导轨的作用是
A. ;
B. 。
②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;碰撞后滑块2的速度v3为 m/s。(结果均保留两位有效数字)
③系统碰撞之前m1v1= kg·m/s,系统碰撞之后m1v2+m2v3=
kg·m/s。
④实验结论: 。
答案:见解析
解析:(2)①A.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。
③系统碰撞之前m1v1=0.15 kg·m/s,系统碰撞之后m1v2+m2v3=0.15 kg·m/s。
④在误差允许的范围内,滑块碰撞前后系统的总动量不变。
科学思维 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。
3.实验误差存在的主要原因是摩擦力的作用。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。
例4、如图所示,用碰撞实验器可以验证动量守恒定律,即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。
(1)实验中直接测定小球碰撞前后的速度是不容易的,但可以通过仅测量
(填选项前的字母)间接地
解决这个问题。
A.小球开始释放高度h
B.小球抛出点距地面的高度h'
C.小球做平抛运动的射程
(2)图中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影。实验时,先让入射球m1多次从斜轨上S位置静止释放,找到其平均落地点的位置P,测量平抛射程lOP。然后,把被碰小球m2静置于轨道的水平部分,再将入射球m1从斜轨上S位置静止释放,与小球m2相碰,并多次重复。
接下来要完成的必要步骤是 。(填选项前的字母)
A.用天平测量两个小球的质量m1、m2
B.测量小球m1开始释放时的高度h
C.测量抛出点距地面的高度h'
D.分别找到m1、m2相碰后平均落地点的位置M、N
E.测量平抛射程lOM、lON
(3)经测定,m1=45.0 g,m2=7.5 g,小球落地点的平均位置距O点的距离如图所示。碰撞前后m1的动量分别为p1与p1',则p1∶p1'= ∶11;若碰撞结束时m2的动量为p2',则p1'∶p2'=11∶ 。实验结果说明,碰撞前后总动量的比值 = 。
答案:(1)C (2)ADE (3)14 2.9 1.01
故只需测射程,因而选C。
(2)由表达式知,在lOP已知时,需测量m1、m2、lOM和lON,故必要步骤有A、D、E。
科学思维 本题利用平抛运动规律,巧妙地提供了一种测量两球碰撞前后速度的方法,由于平抛运动高度相同,下落时间相等,速度的测量可转化为距离的测量。
例5、某同学设计了一个用打点计时器验证动量守恒定律的实验:在小车甲的前端粘有橡皮泥,推动小车甲使之做匀速直线运动,然后与原来静止在前方的小车乙相碰并粘合成一体,而后两车继续做匀速直线运动,他设计的具体装置如图所示。在小车甲后连着纸带,打点计时器打点频率为50 Hz,长木板一端下面垫着小木片用以平衡摩擦力。
(1)若已得到打点纸带如图所示,并将测得的各计数点间距离标在图上,A点是运动起始的第一点,则应选 段来计算甲的碰前速度,应选 段来计算甲和乙碰后的共同速度(以上两空均选填“AB”“BC”“CD”或“DE”)。
(2)已测得小车甲的质量m甲=0.40 kg,小车乙的质量m乙=0.20 kg,由以上测量结果可得:碰前m甲v甲+m乙v乙= kg·m/s;碰后m甲v甲'+m乙v乙'=
kg·m/s(结果保留3位有效数字)。
(3)由(2)可得出的结论是 。
答案:(1)BC DE (2)0.420 0.417 (3)在误差允许范围内,碰撞前后两个小车的总动量是守恒的
解析:(1)观察打点计时器打出的纸带,点迹均匀的阶段BC应为小车甲与乙碰前的阶段,CD段点迹不均匀,故CD段应为碰撞阶段,甲、乙碰撞后一起做匀速直线运动,打出间距均匀的点,故应选DE段计算碰后共同的速度。
m甲v甲'+m乙v乙'=0.417 kg·m/s。
(3)在误差允许范围内,碰撞前后两个小车的总动量是守恒的。
科学思维 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,求小车速度。
课堂小结
注意事项
课后作业
课本练习与应用
谢谢聆听