鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第一册 第1章 第3节　科学验证：动量守恒定律课件

第3节　科学验证：动量守恒定律
一、实验目的
1.验证动量守恒定律。
2.体会将不易测量的物理量转换为易测量的物理量的实验设计思想。
二、实验器材
斜槽轨道、半径相等的钢球和玻璃球、天平(附砝码)、毫米刻度尺、复写纸、白纸、圆规、小铅锤。
三、实验原理
质量分别为m1和m2的两小球A、B发生正碰，碰撞前A的速度是v1，球B静止，碰撞后速度分别是v1′和v2′，根据动量守恒定律，应有m1v1＝m1v1′＋m2v2′。如图，让球A从同一位置C释放，测出不发生碰撞时球A飞出的水平距离lOP，再测出碰撞后球A、B分别飞出的水平距离lOM、lON，只要验证m1lOP＝m1lOM＋m2lON，即可验证动量守恒定律。
四、实验步骤
1.用天平测出两个小球的质量。
2.将斜槽固定在桌边并使其末端水平。在地板上铺白纸和复写纸，通过小铅锤将斜槽末端在纸上的投影记为点O。
3.首先让球A从斜槽点C由静止释放，落在复写纸上，如此重复多次。
4.再将球B放在槽口末端，让球A从点C由静止释放，撞击球B，两球落到复写纸上，如此重复多次。
5.取下白纸，用圆规找出落点的平均位置点P、点M和点N，用刻度尺测出lOP、lOM和lON。
6.改变点C位置，重复上述实验步骤。
五、数据处理
将实验所得数据代入m1lOP＝m1lOM＋m2lON进行计算验证，若在误差允许的范围内等式成立，则碰撞过程中动量守恒。
六、注意事项
1.做实验时必须调整斜槽末端的切线沿水平方向(判断斜槽末端是否水平的方法：将小球放到斜槽末端任一位置，均不滚动)。
2.同一次实验中，必须保证球A每次都从斜槽上同一点由静止释放。
3.实验时，必须保证球A的质量大于球B的质量。
4.找P、M、N各点的平均位置时，用圆规画最小的圆将所有落点包含在内，则圆心的位置即为各点的平均位置。
七、误差分析
1.测量小球质量时的偶然误差。
2.实验时斜槽末端没有水平，使得小球离开斜槽后不做平抛运动。
3.A、B球碰撞时不是严格的一维正碰。
4.找P、M、N各点的平均位置时出现的偶然误差。
[例1] 某同学用如图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，得到了如图所示的三个落点。
核心要点
教材原型实验
(1)请你叙述用什么方法找出落点的平均位置？
____________________________________________________________________。
并在图中读出OP＝________。
(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________球的落点，P是________球的落点。
(3)用题中的字母写出动量守恒定律的表达式________________。
解析　(1)用尽可能小的圆把所有落点圈在里面，则此圆的圆心即为落点的平均位置，OP＝13.0 cm。
(2)R是被碰小球B的落点，P为入射小球A碰撞后的落点。
[针对训练1] 某学习小组用半径相同的小球1和小球2碰撞验证动量守恒定律，实验装置如图所示，斜槽与水平槽平滑连接。安装好实验装置，在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸，记下铅垂线所指的位置O。接下来的实验步骤如下：
步骤1：不放小球2，让小球1从斜槽上A点由静止滚下，并落在地面上。重复多次，用尽可能小的圆把小球的所有落点圈在里面，认为其圆心就是小球落点的平均位置；
步骤2：把小球2放在斜槽前端边缘处的B点，让小球1从A点由静止滚下，使它们碰撞。重复多次，并使用与步骤1同样的方法分别标出碰撞后两小球落点的平均位置；
步骤3：用刻度尺分别测量三个落地点的平均位置M、P、N离O点的距离，即线段OM、OP、ON的长度。
(1)在上述实验操作中，下列说法正确的是(　　)
A.小球1的质量一定大于小球2的质量，小球1的半径可以大于小球2的半径
B.将小球静止放置在轨道末端看小球是否滚动来检测斜槽轨道末端是否水平
C.小球在斜槽上的释放点应该越高越好，这样碰前的速度大，测量误差较小
D.复写纸铺在白纸的上面，实验过程中复写纸可以随时拿起来看印迹是否清晰并进行移动
(2)以下提供的器材中，本实验必需的有(　　)
A.刻度尺 B.游标卡尺 C.天平 D.秒表
(3)设小球1的质量为m1，小球2的质量为m2，MP的长度为l1，ON的长度为l2，则本实验验证动量守恒定律的表达式为__________________________。
解析　(1)为了能够对心碰撞，两球的半径必须相同，选项A错误；将小球放置在轨道末端，若小球保持静止，说明轨道末端水平，若小球滚动，说明轨道末端不水平，选项B正确；碰前的速度不能过大，否则实验不能正常进行，选项C错误；复写纸可以移动，但是白纸不能移动，选项D正确。
(2)本实验需要测量长度和质量，必需的有刻度尺和天平，选项A、C正确。
(3)由于小球做平抛运动的时间相同，可以用OP代表小球1碰前的速度，用OM代表小球1碰后的速度，用ON代表小球2碰后的速度。列出的动量守恒方程为m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，整理得m1·(OP－OM)＝m2·ON，即m1·l1＝m2·l2。
答案　(1)BD　(2)AC　(3)m1·l1＝m2·l2
[例2] 某同学设计了一个用打点计时器“探究碰撞中的不变量”的实验：在小车A的前端粘有橡皮泥，在小车A后连着纸带，推动小车A使之做匀速运动，然后与原来静止在前方的小车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。
甲 乙
核心要点
实验的改进与创新
(1)长木板右端下面垫放一小木片的目的是______________________________。
(2)若已获得的打点纸带如图乙所示，A为运动的起点，各计数点间距分别记为AB、BC、CD和DE，用天平测得A、B两车的质量分别为mA、mB，则需验证的表达式为________________。
解析　(1)长木板右端下面垫放一小木片，目的是平衡摩擦力，使小车拖着纸带在木板上能做匀速运动。
(2)从题图中可以看出，B到C的时间等于D到E的时间，所以可以用BC代表小车碰前的速度，用DE代表碰后的速度，应有mA·BC＝(mA＋mB)·DE。
答案　(1)平衡摩擦力 (2)mA·BC＝(mA＋mB)·DE
[针对训练2] 某同学把两个大小不同的物体用细线连接，中间夹一被压缩的弹簧，如图所示，将这一系统置于光滑的水平桌面上，烧断细线，观察两物体的运动情况，进行必要的测量，来验证动量守恒定律。
(1)该同学还必须有的器材是___________________________________________；
(2)需要直接测量的数据是__________________________________________；
(3)根据所测量的物理量，本实验中需验证的表达式应为________________。(用测得的物理量符号表示)
答案　(1)刻度尺、天平　(2)两物体的质量m1、m2和两物体落地点分别到桌面两侧边缘的水平距离x1、x2 (3)m1x1＝m2x2