1.3 动量守恒定律
自主梳理
一、动量守恒定律的推导
1.系统:相互作用的两个或多个物体组成的________.
2.内力:________物体之间的相互作用力.
3.外力:________物体对系统的作用力.
4.相互作用的两个物体的动量改变
(1)情景设置:如图所示,在光滑水平桌面上做匀速运动的两个物体A、B,质量分别为m1 、m2,沿着同一直线向相同的方向运动,速度分别是v1和v2,v2>v1.当B追上A时两物体发生碰撞,碰撞后A、B的速度分别为v1′和v2′.
(2)理论推导
根据动量定理,物体A动量的变化量等于它所受作用力F1的冲量,即F1t=________.
物体B动量的变化量等于它所受作用力F2的冲量,即F2t=________.
根据牛顿第三定律F1=-F2,两个物体碰撞过程中的每个时刻相互作用力F1与F2大小相等、方向相反,故有m1v1′-m1v1=-(m2v2′-m2v2),m1v1′+m2v2′=________.
(3)结论形成:两个物体碰撞后的________等于碰撞前的________.
5.动量守恒定律:物体在碰撞时,如果系统________________,则系统的总动量保持不变.
二、动量守恒定律的验证
1.物理量的测量
确定研究对象,明确所需测量的物理量和实验器材,测量物体的质量和两个物体发生碰撞前后各自的速度.
2.实验方案: 利用斜槽实现两小球的一维碰撞
如图所示,让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来,与放在斜槽前边小支柱上的另一质量较小的球发生碰撞,之后两小球都做平抛运动.
(1)质量的测量:用天平测量质量.
(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相等.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速度.因此,只需测出两小球的质量m1、m2和不放被碰小球时入射小球在空中飞出的水平距离x1,以及碰撞后入射小球与被碰小球在空中飞出的水平距离x1′和x2′.若在实验误差允许的范围内m1x1与m1x1′+m2x2′相等,就验证了两个小球碰撞前后的动量守恒.
(3)让小球从斜槽的不同高度处开始滚动,进行多次实验.
(4)器材:__________、两个大小相等而质量不等的小球、重垂线、白纸、复写纸、刻度尺、__________、圆规.
3.实验步骤
(1)用天平测量相关碰撞物体的质量m1、m2,填入预先设计好的表格中.
(2)安装实验装置.
(3)使物体发生碰撞.
(4)测量或读出碰撞前后相关的物理量,计算对应的速度,填入预先设计好的表格中.
(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,验证碰撞中的动量守恒.
(7)整理器材,结束实验.
课堂探究
实验原理与操作
某同学设计如图甲所示的装置,通过半径相同的A、B两球的碰撞来验证碰撞过程中的动量守恒,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球的水平射程是________cm.
(2)(多选)在以下的选项中,本次实验必须进行的测量是________.
A.水平槽上未放B球时,A球落点位置到O点的距离
B.A球与B球碰撞后,A、B两球落点位置到O点的距离
C.A、B两球的质量
D.G点相对于水平槽面的高度
(3)若本实验中测量出未放B球时A球落点位置到O点的距离为xA,碰撞后A、B两球落点位置到O点的距离分别为xA′、xB′,A、B两球的质量分别为mA、mB,已知A、B两球半径均为r,则通过式子______________即可验证A、B两球碰撞中的动量守恒.
实验中应注意的事项
(1)保证两物体发生的是一维碰撞,即两个物体碰撞前沿同一直线运动,碰撞后仍沿同一直线运动.
(2)斜槽末端必须水平,且小球每次从斜槽上同一位置由静止滚下;入射小球质量要大于被碰小球质量.
[针 对 训 练]
1.某同学利用两个半径相同的小球及斜槽“验证动量守恒定律”,把被碰小球M1置于斜槽末端处(斜槽末端水平),如图所示.所测得数据如下表.
小球质量/g 小球水平射程/ cm
M1 M2
20.9 32.6 56.0 12.5 67.8
(1)若把平抛时间设为单位时间1 s,则碰前M2与其做平抛运动的水平初速度v2的乘积M2v2=________kg·m/s.碰后各自质量与其做平抛运动的水平初速度的乘积之和M2v2′+M1v1′=________kg·m/s.(结果均保留三位有效数字)
(2)实验结论是______________________________________.
实验数据处理与误差分析
[思 维 深 化]
1.数据处理
为了验证碰撞中的动量守恒,将实验中测得的物理量填入如下表格.
项目 碰撞前 碰撞后
质量 m1 m2 m1 m2
速度 v1 v2 v1′ v2′
mv m1v1+m2v2 m1v1′+m2v2′
(1)方法:将表格中的m1、m2、v1、v2、v1′和v2′等数据代入m1v1+m2v2和m1v1′+m2v2′进行验证.
(2)结论:在实验误差允许的范围内,碰撞前后动量守恒,即m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′.
2.误差分析
(1)碰撞是否为一维碰撞,是产生误差的一个原因.
(2)碰撞中是否受其他力(例如摩擦力)的影响是产生误差的又一个原因,实验中要合理控制实验条件,避免除碰撞时相互作用力以外的其他力影响物体速度.
(3)测量和读数的准确性产生的误差,实验中应规范测量和读数,同时增加测量次数,取平均值,尽量减少偶然误差的影响.
如图甲所示,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.
经测定,m1=45.0 g,m2=7.5 g,小球落地点的平均位置距O点的距离如图乙所示.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=________.
[针 对 训 练]
2.某同学用如图甲所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来验证动量守恒定律.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,记录纸上得到了如图乙所示的痕迹.
(1)请你叙述用什么方法找出落地点的平均位置?_____________________ ________________________________________________________.
并在图中读出=________.
(2)已知mA∶mB=2∶1,碰撞过程中动量守恒,则由图可以判断出R是________球的落地点,P是________球的落地点.
(3)用题中的字母写出动量守恒定律的表达式为___________________.
利用其他方案验证动量守恒定律
[思 维 深 化]
利用气垫导轨实现两个滑块的一维碰撞的实验装置如图所示.
实验步骤:
(1)质量的测量:用天平测量质量.
(2)速度的测量:利用公式v=计算,式中Δx为挡光片的宽度,Δt为计时器显示的挡光片经过光电门所对应的时间.
(3)利用在滑块上增加重物的方法改变碰撞物体的质量.
(4)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(如图甲所示).
②在两滑块相碰的端面上装上弹性碰撞架(如图乙所示),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(如图丙所示),这样可以得到能量损失很大的碰撞.
(5)器材:气垫导轨、数字计时器、滑块(带挡光片)两个、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥、天平.
气垫导轨是常用的一种实验仪器,它是利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫,使滑块悬浮在导轨上,滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦.现用带竖直挡板C、D的气垫导轨和滑块A、B探究碰撞中的不变量,实验装置如图所示.
采用的实验步骤如下:
a.用天平分别测出A、B的质量mA、mB;
b.调整气垫导轨,使导轨处于水平;
c.在A和B间放入一个被压缩的轻弹簧,用电动卡销锁定,静止放置在气垫导轨上;
d.用刻度尺测出A的左端至挡板C的距离L1;
e.按下电钮放开卡销,同时分别记录A、B运动时间的计时器开始工作,当A、B分别碰撞C、D时计时结束,记下A、B分别到达C、D的运动时间t1和t2.
(1)实验中还应测量的物理量及其符号是____________________________.
(2)作用前A、B质量与速度乘积之和为______;作用后A、B质量与速度乘积之和为_______________________________________.
(3)作用前后A、B质量与速度乘积之和并不完全相等,产生误差的原因有_________________________________(至少答出两点).
[针 对 训 练]
3.现用带竖直挡板C和D的气垫导轨和滑块A和B验证动量守恒定律,实验装置如图所示,采用的实验步骤如下:
a.松开手的同时,记录滑块A、B运动时间的计时器开始工作,当A、B滑块分别碰到C、D挡板时计时器结束计时,分别记下A、B到达C、D的运动时间t1和t2.
b.在A、B间水平放入一个轻弹簧,用手压住A、B使弹簧压缩,放置在气垫导轨上,并让它静止在某个位置.
c.给导轨送气,调整气垫导轨,使导轨处于水平.
d.用刻度尺测出A的左端至C板的距离l1、B的右端至D板的距离l2.
(1)实验步骤的正确顺序是____________.
(2)实验中还需要的测量仪器是__________,还需要测量的物理量是____________.
(3)利用上述测量的实验数据,验证动量守恒定律的表达式是____________.
课时练习
1.在利用平抛运动做“验证动量守恒定律”实验中,安装斜槽轨道时,应让斜槽末端的切线保持水平,这样做的目的是( )
A.入射球得到较大的速度
B.入射球与被碰球对心碰撞后速度均为水平方向
C.入射球与被碰球碰撞时动能无损失
D.入射球与被碰球碰撞后均能从同一高度飞出
2.某同学用如图甲所示装置来验证动量守恒定律,实验时先让小球a从斜槽轨道上某固定点处由静止开始滚下,在水平地面上的记录纸上留下痕迹,重复10次;然后再把小球b静置在斜槽轨道末端,让小球a仍从原固定点由静止开始滚下,和小球b相碰后,两球分别落在记录纸的不同位置处,重复10次.回答下列问题:
(1)在安装实验器材时斜槽的末端应_______________________________.
(2)小球a、b质量ma、mb的大小关系应满足ma______mb,两球的半径应满足ra______rb.(均选填“>”“<”或“=”)
(3)本实验中小球平均落地点的位置距O点的距离如图乙所示,小球a、b碰后的平均落地点依次是图乙中的________点和________点.
(4)在本实验中,验证动量守恒的式子是下列选项中的________.
A.ma
B.ma
C.ma
3.如图,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.但是,可以通过仅测量______(填选项前的符号),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多次从倾斜轨道上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,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________.(多选,填选项前的符号)
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、
4.用图示装置验证动量守恒定律,气垫导轨水平放置,挡光板宽度9.0 mm,两滑块被弹簧弹开后,左侧滑块通过左侧数字计时器,记录时间为0.040 s,右侧滑块通过右侧数字计时器,记录时间为0.060 s,左侧滑块质量100 g,左侧滑块m1v1大小为________g·m/s,右侧滑块质量149 g,两滑块质量与速度乘积的矢量和m1v1+m2v2=________g·m/s.
5.用如图所示装置来“验证动量守恒定律”,质量为mB的钢球B放在小支柱N上,球心离地面高度为H;质量为mA的钢球A用细线拴好悬挂于O点,当细线被拉直时O点到球心的距离为L,且细线与竖直线之间夹角为α;球A由静止释放,摆到最低点时恰与球B发生正碰,碰撞后,A球把轻质指示针C推移到与竖直夹角为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,用来记录球B的落点.
(1)用图中所示各个物理量的符号表示碰撞前后A、B两球的速度(设A、B两球碰前的速度分别为vA、vB,碰后速度分别为vA′、vB′),则vA=________,vA′=______,vB=________,vB′=________.
(2)请你提供两条提高实验精度的建议:______________________.
6.在做验证动量守恒定律实验时,用图甲所示装置进行验证,在长木板右端下面垫放小木片,平衡好摩擦力.小车P的前端粘有橡皮泥,后端连着纸带.接通电源,轻推小车P使之运动,小车P运动一段时间后,与原来静止的小车Q相碰,并粘在一起继续运动.(已知打点计时器电源频率为50 Hz)
(1)两车碰撞前后打出的纸带如图乙所示.测得小车P的质量mP=0.60 kg,小车Q的质量mQ=0.40 kg,由以上数据求得碰前系统总动量为__________kg·m/s,碰后系统总动量为________kg·m/s.(结果保留三位有效数字)
(2)实验结论:_______________________________________.
7.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A的前端粘有橡皮泥,设法使小车A做匀速直线运动,然后与原来静止的小车B相碰并粘在一起继续做匀速运动,如图甲所示.在小车A的后面连着纸带,电磁打点计时器的频率为50 Hz.
甲
(1)若已得到打点纸带如图乙所示,并测得各计数点间的距离.则应选图中__________段来计算A碰前的速度,应选________段来计算A和B碰后的速度.
乙
(2)已测得小车A的质量mA=0.40 kg,小车B的质量mB=0.20 kg,则由以上结果可得碰前mAvA+mBvB=______kg·m/s,碰后mAvA′+mBvB′=______kg·m/s.
(3)从实验数据的处理结果来看,A、B碰撞的过程中,可能不变的物理量是______________________.
8.在验证动量守恒定律实验中,实验装置如图所示,a、b是两个半径相等的小球,按照以下步骤进行操作:
①在平木板表面钉上白纸和复写纸,并将该木板竖直立于紧靠槽口处,将小球a从斜槽轨道上固定点处由静止释放,撞到木板并在白纸上留下痕迹O;
②将木板水平向右移动一定距离并固定,再将小球a从固定点处由静止释放,撞到木板上得到痕迹B;
③把小球b静止放在斜槽轨道水平段的最右端,让小球a仍从固定点处由静止释放,和小球b相碰后,两球撞在木板上得到痕迹A和C.
(1)若碰撞过程中没有机械能损失,为了保证在碰撞过程中a球不反弹,a、b两球的质量m1、m2间的关系是m1______m2.(选填“>”“=”或“<”)
(2)(多选)为完成本实验,必须测量的物理量有________.
A.小球a开始释放的高度h
B.木板水平向右移动的距离l
C.a球和b球的质量m1、m2
D.O点到A、B、C三点的距离y1、y2、y3
(3)在实验误差允许的范围内,若动量守恒,其关系式应为_____________.
第三节 动量守恒定律
课前自主梳理
一、
1.整体 2.系统内 3.系统外部 4.(2)m1v1′-m1v1 m2v2′-m2v2 m1v1+m2v2 (3)动量之和 动量之和
5.所受合外力为零
二、
2.(4)斜槽 天平
实验热点剖析
热点1
例1 解析:(1)由于偶然因素的存在,重复操作时小球的落点不可能完全重合,如图乙所示,处理的办法是用一个尽可能小的圆将“所有落点位置”包括在内(其中误差较大的位置可略去),此圆的圆心即可看作小球10次落点的平均位置,则碰撞后B球的水平射程等于圆心到O点的距离,由图乙可得此射程约为65.0 cm.
(2)由于A、B离开水平槽末端后均做平抛运动,平抛高度相同,运动时间相等,因此可以用平抛运动的水平位移表示小球做平抛运动的初速度,没有必要测量G点相对于水平槽面的高度,故A、B均正确,D错误;要验证碰撞前后质量与速度的乘积是否守恒,必须测量A、B两球的质量,C正确.
(3)依题意知,碰撞前A球做平抛运动的水平位移为xA,碰撞后A、B做平抛运动的水平位移分别为xA′、xB′,由于碰撞前、后两球做平抛运动的时间相等,因此通过式子mAxA=mAxA′+mBxB′即可验证A、B两球碰撞中的动量守恒.
答案:(1)65.0(64.5~65.5均可) (2)ABC
(3)mAxA=mAxA′+mBxB′
针对训练
1.解析:(1)M2=32.6 g=0.032 6 kg,v2==0.560 m/s,
M2v2≈0.018 3 kg·m/s
v2′==0.125 m/s,v1′==0.678 m/s
M2v2′+M1v1′≈0.018 2 kg·m/s.
答案:(1)0.018 3 0.018 2 (2)在误差允许的范围内,碰撞前后两物体各自质量与其速度的乘积之和相等
热点2
思维深化
例2 解析:p1=m1·,p1′=m1·.
联立可得p1∶p1′=∶=44.80∶35.20=14∶11.
p2′=m2·
则p1′∶p2′=∶=11∶2.9.
故≈1.
答案:14 2.9 1(1~1.01均可)
针对训练
2.解析:(3)小球落地时间t相同,由mA·可知,动量守恒的验证表达式为mA·.
答案:(1)用最小的圆把所有落点圈在里面,圆心即为落点的平均位置 13.0 cm (2)B A (3)mA·
热点3
思维深化
例3 解析:A、B被压缩的弹簧弹开后,在气垫导轨上运动时可视为匀速运动,因此只要测出A与C的距离L1、B与D的距离L2及A到达C、B到达D的时间t1和t2,测出A、B的质量,就可以探究碰撞中的不变量.
(1)由上述分析可知,实验中还应测量的物理量为B的右端至挡板D的距离L2.
(2)设向左为正方向,根据所测数据求得A、B的速度分别为vA=,碰前A、B静止,即v=0,质量与速度乘积之和为0,碰后A、B的质量与速度乘积之和为mAvA+mBvB=mA;若设向右为正方向,同理可得碰后A、B的质量与速度乘积之和为mB.
(3)产生误差的原因:①L1、L2、t1、t2、mA、mB的数据测量误差;②没有考虑弹簧推动滑块的加速过程;③滑块并不是做标准的匀速直线运动,滑块与导轨间有少许摩擦力;④气垫导轨可能不完全水平.
答案:(1)B的右端至挡板D的距离L2 (2)0 mA (3)见解析
针对训练
3.解析:(2)还需用天平测滑块的质量.
(3)两滑块脱离弹簧的速度为v1=,
由动量守恒得m1v1=m2v2,即m1.
答案:(1)cbda (2)天平 A、B两滑块的质量m1、m2
(3)m1
课堂巩固训练
1.解析:B 实验中小球能水平飞出是实验成功的关键,只有这样才能使两个小球在空中运动时间相等.
2.解析:(1)小球离开轨道后应做平抛运动,所以在安装实验器材时斜槽的末端必须保持水平.
(2)为防止在碰撞过程中入射小球被反弹,入射小球a的质量ma应该大于被碰小球b的质量mb.为保证两个小球的碰撞是对心碰撞,两个小球的半径应相等.
(3)由题图甲所示装置可知,小球a和小球b相碰后小球b的速度大于小球a的速度.由此可判断碰后小球a、b的落点位置分别为A、C点.
(4)小球下落高度一样,所以在空中的运动时间t相等,若碰撞过程满足动量守恒,则应有mav0=mava+mbvb,两边同乘以时间t可得mav0t=mavat+mbvbt,即有ma·,故选项B正确.
答案:(1)保持水平 (2)> = (3)A C (4)B
3.解析:(1)小球碰前和碰后的速度都可用平抛运动来测定,即v=.即m1·;而由H=知,每次下落竖直高度相等,平抛时间相等.则可得m1·.故只需测射程,因而选C.
(2)由表达式知,在已知时,需测量m1、m2、和,故必要步骤为A、D、E.
答案:(1)C (2)ADE
4.解析:左侧滑块的速度为
v1==0.225 m/s
规定向左为正方向,则左侧滑块
m1v1=100 g×0.225 m/s=22.5 g·m/s
右侧滑块的速度为v2==0.15 m/s
则右侧滑块m2v2=149 g×(-0.15) m/s≈-22.4 g·m/s
可见在误差允许的范围内两滑块m1v1+m2v2=0.
答案:22.5 0
5.解析:(1)根据机械能守恒定律,
有mAvA2=mAgL(1-cos α ),
vA=.
碰撞后,同理可知vA′=,
由题意,碰撞前vB=0,
碰撞后小球B做平抛运动,可得gt2=H,
vB′t=x,解得vB′=x .
(2)①让球A多次从同一位置摆下,求B球落点的平均位置;②α角取值不要太小;③两球A、B的质量不要太小.(任答两条)
答案:(1) 0
x (2)见解析
6.解析:(1)由题意可知打点周期为0.02 s,碰前小车P的速度为v= m/s=0.8 m/s,
所以碰前系统总动量为p1=mPv=0.6×0.8 kg·m/s=0.480 kg·m/s,
碰后两小车共同的速度
v1= m/s=0.475 m/s,
碰后系统总动量为p2=(mP+mQ)v1=(0.60+0.40)×0.475 kg·m/s=0.475 kg·m/s.
答案:(1)0.480 0.475 (2)在误差允许的范围内,碰撞前后动量守恒
7.解析:(1)因为小车A与B碰撞前后都做匀速运动,且碰后A与B粘在一起,其共同速度比A原来的速度小.所以,应选点迹分布均匀且点距较大的BC段计算A碰前的速度,选点迹分布均匀且点距较小的DE段计算A和B碰后的速度.
(2)由题图可知,碰前A的速度和碰后A、B的共同速度分别为vA= m/s=1.05 m/s
vA′=vB′= m/s=0.695 m/s
故碰撞前mAvA+mBvB=0.40×1.05 kg·m/s+0.20×0 kg·m/s=0.420 kg·m/s
碰撞后mAvA′+mBvB′=(mA+mB)vA′=(0.40+0.20)×0.695 kg·m/s=0.417 kg·m/s.
(3)数据处理表明,mAvA+mBvB≈mAvA′+mBvB′,即在实验误差允许的范围内,A、B碰撞前后质量与速度的乘积之和不变.
答案:(1)BC DE (2)0.420 0.417 (3)质量与速度的乘积之和
8.解析:在小球碰撞过程中水平方向动量守恒,故有m1v0=m1v1+m2v2,碰撞前后动能相等,故有m2v22,解得v1=v0,若要使a球的速度方向不变,则m1>m2;小球平抛运动的时间t=,则初速度v==x ,显然平抛运动的初速度与下降高度二次方根的倒数成正比,当p0=p1+p2,即成立时系统的动量守恒;由以上可知,需测量的物理量有a球和b球的质量m1、m2和O点到A、B、C三点的距离y1、y2、y3,C、D正确.
答案:(1)> (2)CD (3)