1.3 科学验证：动量守恒定律(教学课件）——高中物理鲁科版（2019）选择性必修第一册（共49页PPT）

(共48张PPT)
第一章 动量及其守恒定律
第三节 科学验证：动量守恒定律
1.理解验证动量守恒定律的实验原理，会根据器材和要求设计实验方案
2.熟练掌握验证各种碰撞情况下系统动量守恒的方法
3.知道实验中实验误差的主要来源，并能提出减小实验误差的方法
学习目标
新课导入
毛主席说：实践是检验真理的唯一标准
同样，实验是检验定律的唯一标准
生活中常见的碰撞近似满足动量守恒的条件，故我们可以通过碰撞实验来验证动量守恒定律。
温故知新
问题1：动量守恒定律的条件是什么？
（1）不受外力或所受外力矢量和为零
（2）内力远大于外力
问题2：如何创造条件，使系统满足动量守恒的条件？
利用两物体发生碰撞时，内力远大于外力的特点，可近似认为碰撞满足动量守恒的条件.
温故知新
问题3：怎样验证系统满足动量守恒？
问题4：需要测量哪些物理量？如何测量？
质量m
速度v
天平
电子秤
……
打点计时器
数字计时器
（光电门）
速度传感器
……
（实验原理）
其中d为挡光板的宽度
新课讲解
将两球放在同一导轨上，碰撞前后两球运动在同一直线上
v1
m1
m2
使两球碰撞，验证两球碰撞前后的动量之和是否相同
可能会出现怎样的问题？如何解决？
碰撞后，球的运动方向不在同一直线上，可能导致误差较大
用平抛运动验证动量守恒定律
新课讲解
斜槽（末端水平）
入射小球
复写纸
白纸
天平
出射小球
铅垂线
刻度尺
1.实验器材
h
斜槽末端切向水平
为防止A球反弹， m1>>m2
落点确定：
P
M
N
O
m1
m2
圆心即为小球平均落点
得到小球落点的水平距离后，根据平抛运动的规律计算出小球的水平初速度
本实验设计思想巧妙之处在于用长度测量代替速度测量。
2.实验原理
3.实验步骤
(1)用天平测出两个小球的质量,并选定质
量大的小球为入射小球。
(2)按照图所示,安装实验装置。调整固定
斜槽使斜槽末端水平。
(3)在水平地面上适当位置铺放白纸,在白纸上铺放复写纸,记下铅垂线所指的位置O(斜槽末端)。
(4)不放被碰小球,让入射小球从斜槽上某固定高度滚下,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。
(5)把被碰小球放在斜槽末端，让入射小球从同一高度滚下,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和被碰小球的落点的平均位置N。如图所示。
(6)连接ON，测量线段OP、OM、ON的长度。将测量数据填入表中。
OP
OM
ON
该方案时如何验证动量守恒的？
通过验证m1OP与m1OM＋m2ON在误差允许范围内是否相等来验证系统动量是否守恒。
注意事项
①入射小球的质量m1需大于被撞小球的质量m2。
②入射小球每次必须从斜槽上同一位置由静止滚下。
③斜槽末端的切线方向水平。
1.某实验小组的同学们用图甲装置做验证动量守恒定律实验，即研究两个小球碰撞前、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。同学们经过分析讨论，发现_______________________________________________，因此可以用水平位移间接地来代替小球碰撞前、后的速度。
小球做平抛运动的时间相同(其他表述意思正确即可)
经典例题
解析：小球离开轨道后做平抛运动，由于抛出点的高度相等，小球做平抛运动的时间相等；小球做平抛运动的水平位移与初速度成正比，可以用水平位移间接地来代替小球碰撞前、后的速度。
经典例题
(2)图甲中O点是小球抛出点在水平地面上的垂直投影点。实验时，先将入射球A(质量为m1)多次从斜轨上S位置由静止释放，找到其平均落地点的位置P(图中未画出)，测量水平位移s1；然后把被碰小球B(质量为m2)静置于轨道的水平部分，再将入射小球A从斜轨上S位置由静止释放，与小球B相撞，找到A、B相碰后各自平均落地点的位置，并分别测量其水平位移s2、s3。多次重复本实验步骤，以减小实验误差。
经典例题
(3)同学们在实验中正确操作，认真测量，得出的落点情况如图乙所示。通过分析可知，落点P为图乙中的位置____(填“1”“2”或“3”)，若两球相碰前、后的动量守恒，则m1∶m2＝______。
2
6∶1
经典例题
解析：根据实验操作可知，入射球未发生碰撞时落在位置2。
设入射球未发生碰撞时的平抛初速度为v0，发生碰撞后入射球的平抛初速度为v1，被碰小球的平抛初速度为v2，由动量守恒定律有
m1v0＝m1v1＋m2v2
可得m1v0t＝m2v1t＋m1v2t
则有m1s1＝m1s2＋m2s3
代入数据可得m1∶m2＝s3∶(s1－s2)＝55.68∶(44.48－35.20)＝6∶1。
经典例题
实验拓展与创新
利用气垫导轨和光电门验证动量守恒定律
1.实验器材 气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个、安装有挡光片)、重物、弹射架、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。
气垫导轨
碰撞滑块
光电门
L
挡光条
导轨水平
2.实验原理
（1）质量的测量：天平称量出滑块质量m1，m2
（2）速度的测量：
利用公式
测出碰前m1的速度v1和碰后m1的速度v1 和m2的速度v2
Δx—遮光条宽度
Δt—遮光条经过光电门的时间
（3）利用加重物来改变滑块的质量
3.实验方法
(1)用细线将弹簧片压缩,放置于两个滑块之间,并使它们静止,然后烧断细线,弹簧片弹开后落下,两个滑块随即向相反方向运动(图甲)。
(2)在两滑块相碰的端面上装上弹性碰撞架(图乙),可以得到能量损失很小的碰撞。
(3)在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥,碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两个滑块连成一体运动(图丙),这样可以得到能量损失很大的碰撞。
4、实验步骤
(1)用天平测出两滑块的质量,用毫米刻度尺测出滑块上挡光片的宽度。
(2)安装好气垫导轨,调节导轨下面的调节旋钮,直到水平仪中的气泡位于中央,此时导轨水平。
(3)接通气泵的电源,向气垫导轨通入压缩空气。
(4)按照实验方法(2),把滑块2放在气垫导轨的中间,使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮筋后释放滑块1。
(5)记录滑块1通过光电门的时间t1,碰后滑块1和滑块2依次通过光电门的时间t1'、t2。
情境一：滑块安装弹性碰撞架
情境二：滑块安装撞针和橡皮泥
情境三：滑块间安装压缩的弹簧片
一个运动滑块撞击静止滑块。
（mAv+mB·0=mA·0+mBv）两者交换速度，
两个静止滑块被弹簧片弹开，一个向左，一个向右 0=mAv-mBv
运动滑块撞击静止滑块，撞后两者粘在一起。mAv=(mA+mB)v共
mA=mB
弹性碰撞
非弹性碰撞
弹性碰撞
弹性碰撞架
(1)实验器材 两个带细线的等大摆球、铁架台、天平、刻度尺等。
(2)实验方案
将一个小球竖直悬挂静止，悬挂两个摆球，悬挂点的距离
等于小球的直径，静止后两球球心在同一水平线上，另一
小球拉起一定角度后由静止释放，使两球相碰。如图所示。
(3)小球速度的测量方案
小球碰撞前(后)的速度v＝ ，式中h为小球释放时(或碰撞后摆起)的高度，h可用刻度尺测量(也可由量角器和摆长计算出)。
利用等长悬线悬挂等大小球验证动量守恒定律
拓展实验
拓展实验
利用频闪照片验证动量守恒定律
分析频闪照片中A、B滑块碰撞前后的位置情况，设频闪时间间隔为Δt，可得速度为

某同学用如图所示的装置验证动量守恒定律。安装了弹性碰撞架和挡光片的滑块A和滑块B静止在气垫导轨上。实验时，给滑块A一个初速度，当它与滑块B发生碰撞后没有改变运动方向。数字计时器(图中没画出)可以测出挡光片通过光电门的挡光时间，测得碰撞前滑块A通过光电门1的挡光时间为Δt1，碰撞后两滑块先后通过光电门2的挡光时间分别为Δt2、Δt3。两个挡光片的宽度相同。
经典例题
(1)下列说法正确的是_____。
A.该实验需要将气垫导轨左侧适当垫高，以补偿阻力
B.该实验将气垫导轨调到水平即可，不需要补偿阻力
C.该实验中滑块A的质量大于滑块B的质量
D.该实验中滑块A的质量小于滑块B的质量
BC
经典例题
利用气垫导轨验证动量守恒定律时不需要补偿阻力，A错误，B正确；
由于滑块A与滑块B发生碰撞后没有改变运动方向，可知该实验中滑块A的质量大于滑块B的质量，C正确，D错误。
例题解析
(2)该实验如果仅验证两车组成的系统动量守恒，还需要测量___。
A.两小车的质量mA、mB
B.挡光片的宽度d
C.光电门1、2之间的距离L
A
经典例题
若两滑块组成的系统动量守恒，则mAvA1＝mAvA2＋mBvB
可知，如果仅验证两滑块组成的系统动量守恒，还需要测量两滑块的质量mA、mB。故选A。
例题解析
(3)如果表达式______________成立，则说明两小车碰撞过程中动量守恒。
经典例题
例题解析
当堂检测
1. 利用气垫导轨做验证碰撞中的动量守恒实验时,不需要测量的物理量是(　　)
A.滑块的质量 B.挡光时间
C.挡光片的宽度 D.滑块移动的距离
D
解析：根据实验原理可知,滑块的质量、挡光时间、挡光片的宽度都是需要测量的物理量,其中滑块的质量用天平测量,挡光时间用光电计时器测量,挡光片的宽度可事先用刻度尺测量。只有移动的距离不需要测量,故选项D正确。
2.下图为气垫导轨上两个滑块A、B相互作用后运动过程的频闪照片,频闪的频率为10 Hz。开始两个滑块静止,它们之间有一根被压缩的轻弹簧,滑块用细绳连接,细绳烧断后,两个滑块向相反方向运动。已知滑块 A、B的质量分别为200 g、300 g,根据照片记录的信息,可知细绳烧断后,A滑块做　　　　运动,其速度大小为　　　m/s。本实验中得出的结论是　 　。
匀速直线
0.09
两滑块组成的系统在相互作用前后总动量相等
解析：由题图可知,细绳烧断后,A、B均做匀速直线运动,开始时:vA=0,vB=0,规定向右方向为正方向,则
A、B被弹开后,
vA'=-0.09 m/s,vB'=0.06 m/s
mAvA'=0.2×(-0.09) kg·m/s=-0.018 kg·m/s
mBvB'=0.3×0.06 kg·m/s=0.018 kg·m/s
由此可得0=mBvB'+mAvA'
结论是两滑块组成的系统在相互作用前后总动量相等。
答案:匀速直线　0.09　两滑块组成的系统在相互作用前后总动量相等
3.（多选）在光滑的水平面上，一个质量为2kg的物体A与另一物体B发生正碰，碰撞时间不计，两物体的位置随时间变化规律如图所示，以A物体碰前速度方向为正方向，下列说法正确的是（　　）
A．碰撞后A的动量为6kg﹒m/s
B．碰撞后A的动量为2kg﹒m/s
C．物体B的质量为2kg
D．碰撞过程中合外力对B的冲量为6N﹒s
BD
解析：由图可知，碰撞前A的速度为
碰撞后A、B共同的速度为
则碰撞后A的动量为 ， A错误，B正确；
C．A、B碰撞过程中，由动量守恒定律可得
解得： ，C错误；
D．对B，由动量定理可得 ，D正确；
故选BD。
4.用图示的装置来验证动量守恒定律。质量为mA的钢球A用细线悬挂于O点，质量为mB的钢球B放在离地面高度为H的小支柱N上，O点到A球球心的距离为L。使细线在A球释放前伸直且线与竖直线的夹角为α，A球释放后摆到最低点时恰与B球碰撞，碰撞后，A球把轻质指示针OC推到与竖直线的夹角为
β处，B球落到地面上，地面上铺有一张盖有复写纸的白纸D。保持α角不变，多次重复上述实验，白纸上记录了B球的多个落点。
(1)图中s应是B球初始位置到______________的水平距离。
B球平均落地点
从题图中可以看出，s应是B球初始位置到B球平均落地点的水平距离。
(2)为了验证两球碰撞过程中动量守恒，应测量的物理量有s和______________________。(用字母表示)
mA、mB、 α、β、H、L
还应测的物理量是A球的质量mA、B球的质量mB、A球开始的摆角α和向左摆动的最大摆角β、B球下落的高度H、O点到A球球心的距离L。
(3)用测得的物理量表示碰撞前后A、B两球的动量：
pA＝_________________，pA′＝________________；
pB＝0，pB′＝_________。(当地的重力加速度为g)
解析：根据机械能守恒定律可得
A球碰前的动量pA＝mAvA
根据机械能守恒定律可得
A球碰后的动量pA′＝mAvA′
B球做平抛运动，由平抛运动的规律可得
B球碰后的动量
pB′＝mBvB
5.某同学借助图甲所示装置验证动量守恒定律，长木板的一端垫有小木块，可以微调木板的倾斜程度，以平衡摩擦力，使两个小车均能在木板上做匀速直线运动。小车1前端贴有橡皮泥，后端与穿过打点计时器的纸带相连，接通打点计时器电源后，让小车1以某速度做匀速直线运动，与置于木板上静止的小车2相碰并粘在一起，之后继续做匀速直线运动。打点计时器电源频率为50 Hz，得到的纸带如图乙所示，已将各计数点之间的距离标在图上。
(1)小车1碰撞前的速度大小为________ m/s，两车碰撞后的速度大小为_______ m/s；
1.712
1.140
(2)若小车1的质量(含橡皮泥)为0.4 kg，小车2的质量为0.2 kg，根据纸带数据，碰前两小车的总动量是________ kg·m/s，碰后两小车的总动量是________ kg·m/s。
0.684 8
0.684 0
碰前两小车的总动量p1＝m1v1＝0.4×1.712 kg·m/s＝0.684 8 kg·m/s
碰后两小车的总动量p2＝(m1＋m2)v1＝0.6×1.140 kg·m/s＝0.684 0 kg·m/s
谢谢