第十六章 动量守恒定律
第一节 实验:探究碰撞中的不变量
【素养目标定位】
※
了解探究碰撞中的不变量的基本思路和实验方法
※
体验探究自然规律的过程
※
探究一维碰撞中的不变量
【素养思维脉络】
课前预习反馈
教材梳理·夯基固本·落实新知
知识点1 实验的基本思路
1.一维碰撞
两个物体碰撞前沿__同一直线__运动,碰撞后__仍沿这条直线__运动。这种碰撞叫做一维碰撞。
2.探寻守恒量
在一维碰撞的前提下,设两个物体的质量分别为m1、m2,碰撞前它们的速度分别为v1、v2,碰撞后的速度分别为v′1、v′2。
(1)物体质量与各自速度的乘积之和是否为不变量。
即是否有m1v1+m2v2=__m1v1′+m2v2′__?
(2)物体质量与各自速度平方的乘积之和是否为不变量。
即是否有m1v+m2v=__m1v1′_2+m2v2′2__?
(3)物体速度与其质量之比的和是否为不变量。
即是否有+=__+__?
知识点2 实验方案设计
方案一:用气垫导轨完成两个滑块的一维碰撞
实验装置如下图所示。
1.速度的测量
v=,式中Δx为滑块上挡光片的__宽度__,Δt为光电计时器显示的挡光片经过__光电门__的时间。
2.各种碰撞情景
滑块上装弹性片、贴胶片或橡皮泥等,达到碰撞后弹开或粘在一起的效果。
方案二:利用等长悬绳挂等大的小球实现一维碰撞
实验装置如下图所示。把两个小钢球用线悬起来,一个小球静止,拉起另一个小球,放开后它们相碰。
1.速度的测量
v=,式中l为__单摆摆长__,θ为小球被拉起或被撞小球摆起的角度。
2.各种碰撞情景
可采用在小球上贴胶布的方式来改变碰撞中的能量损失。
方案三:利用小车在光滑桌面碰撞另一个静止的小车实现一维碰撞
实验装置如下图所示。
1.速度的测量
v=,式中s为__小车匀速__运动时纸带上各点之间的距离,t为通过s所用的时间。
2.碰撞情景
静止的小车上装上橡皮泥,运动的小车上装上撞针,让它们碰撞后粘在一起。
课内互动探究
细研深究·破疑解难·萃取精华
一、实验过程
1.实验器材
方案一:气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、弹簧片、细线、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。
方案二:带细线的摆球(两个)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。
方案三:光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥等。
2.实验步骤
不论采用哪种方案,实验过程均可按实验方案合理安排,参考步骤如下:
(1)用天平测量相关的质量;
(2)安装实验装置;
(3)使物体发生碰撞;
(4)测量或读出有关数据,计算出物体的速度;
(5)改变碰撞条件重复上述(3)、(4)步;
(6)进行数据处理通过分析对比,找出碰撞中的不变量;
(7)整理实验器材。
3.数据处理
(1)将以上三个实验过程中测得的数据填入下表中
碰撞前
碰撞后
质量
m1
m2
m1
m2
速度
v1
v2
v1′
v2′
mv
m1v1+m2v2
m1v1′+m2v2′
mv2
m1v+m2v
m1v1′2+m2v2′2
+
+
从上表中的三个关系中,找出碰撞前和碰撞后相等的关系量。
(2)结论
在实验误差允许的范围内,碰撞前、后不变的量是物体的质量m与速度v的乘积之和,即m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。
二、误差分析
1.系统误差
(1)碰撞是否为一维碰撞,设计实验方案时应保证碰撞为一维碰撞。
(2)碰撞中其他力(例如,摩擦力、空气阻力等)的影响带来的误差。实验中要合理控制实验条件,避免除碰撞时相互作用力外的其他力影响物体速度。
2.偶然误差
测量和读数的准确性带来的误差,实验中应规范测量和读数,同时增加测量次数,取平均值,尽量减小偶然误差的影响。
三、注意事项
1.前提条件
应保证碰撞的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.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导轨水平。
(2)若利用摆球进行实验,两小球静放时球心应在同一水平线上,且刚好接触,摆线竖直,将小球拉起后,两条摆线应在同一竖直平面内。
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,才符合要求。
探究?
实验步骤与数据处理
┃┃典例剖析__■
典例1 某同学运用以下实验器材,设计了一个碰撞实验来寻找碰撞前后的不变量:打点计时器、低压交流电源(频率为50
Hz)、纸带、表面光滑的长木板、带撞针的小车A、带橡皮泥的小车B、天平。
该同学设计的实验步骤如下:
A.用天平测出小车A的质量为mA=0.4
kg,小车B的质量为mB=0.2
kg
B.更换纸带重复操作三次
C.小车A靠近打点计时器放置,在车后固定纸带,把小车B放在长木板中间
D.把长木板平放在桌面上,在一端固定打点计时器,连接电源
E.接通电源,并给小车A一定的初速度vA
(1)请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来__ADCEB__。
(2)打点计时器打下的纸带中,比较理想的一条如上图所示,根据这些数据完成下表。
碰撞前
碰撞后
A车
B车
AB整体
质量/kg
速度/(m·s-1)
/(m·s-1·kg-1)
mv/(kg·m·s-1)
mv2/(kg·m2·s-2)
(3)根据以上数据猜想碰撞前后不变量的表达式为
__mAvA+mBvB=(mA+mB)v__。
解题指导:注意碰撞前后小车均做匀速运动,碰撞前后的速度可利用纸带上点迹分布均匀的部分计算。
解析:(1)按照先安装,后实验,最后重复的顺序,该同学正确的实验步骤为ADCEB。
(2)碰撞前后均为匀速直线运动,由纸带上的点迹分布求出速度。碰后小车A、B合为一体,求出AB整体的共同速度。注意打点计时器的频率为50
Hz,打点时间间隔为0.02
s,通过计算得下表。
碰撞前
碰撞后
A车
B车
AB整体
质量/kg
0.4
0.2
0.6
速度/(m·s-1)
3.0
0
2.0
/(m·s-1·kg-1)
7.5
0
3.3
mv/(kg·m·s-1)
1.2
0
1.2
mv2/(kg·m2·s-2)
3.6
0
2.4
(3)由表中数值可看出mv一行中数值相同,可猜想碰撞前后不变量的表达式为mAvA+mBvB=(mA+mB)v。
┃┃对点训练__■
1.在用气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”实验时,左侧滑块质量m1=170
g,右侧滑块质量m2=110
g,挡光片宽度为3.00
cm,两滑块之间有一压缩的弹簧片,并用细线连在一起,如图所示。开始时两滑块静止,烧断细线后,两滑块分别向左、右方向运动。挡光片通过光电门的时间分别为Δt1=0.32
s,Δt2=0.21
s。则两滑块的速度分别为v1′=__0.094__m/s,v2′=__0.143__m/s。烧断细线前m1v1+m2v2=__0__kg·m/s,烧断细线后m1v1′+m2v2′=__2.5×10-4___kg·m/s。可得到的结论是__在实验允许的误差范围内,两滑块质量与各自速度的乘积之和为不变量__。
解析:取向左方向为正,两滑块速度
v1′==m/s≈0.094
m/s,
v2′==m/s≈-0.143
m/s。
烧断细线前m1v1+m2v2=0
烧断细线后m1v1′+m2v2′=(0.170×0.094-0.110×0.143)kg·m/s=2.5×10-4
kg·m/s,
在实验允许的误差范围内,m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。
探究?
实验创新设计
┃┃典例剖析__■
典例2 如图所示,斜槽末端水平,小球m1从斜槽某一高度由静止滚下,落到水平面上的P点。今在槽口末端放一与m1半径相同的球m2,仍让球m1从斜槽同一高度滚下,并与球m2正碰后使两球落地,球m1和m2的落地点分别是M、N。已知槽口末端在白纸上的投影位置为O点。则:
(1)两小球质量的关系应满足__B__。
A.m1=m2
B.m1>m2
C.m1(2)实验必须满足的条件__ACD__
A.轨道末端的切线必须是水平的
B.斜槽轨道必须光滑
C.入射球m1每次必须从同一高度滚下
D.入射球m1和被碰球m2的球心在碰撞瞬间必须在同一高度
(3)实验中必须测量的是__AFG__。
A.两小球的质量m1和m2
B.两小球的半径r1和r2
C.桌面离地的高度H
D.小球起始高度
E.从两球相碰到两球落地的时间
F.小球m1单独飞出的水平距离
G.两小球m1和m2相碰后飞出的水平距离
(4)若两小球质量之比为m1∶m2=3∶2,两球落点情况如下图所示,则碰撞前后有__C__。
A.m1v=m1v′+m2v′
B.=+
C.m1v1=m1v′1+m2v′2
D.m1v1=m2v′2
解题指导:本题中利用平抛运动的规律,巧妙的提供了一种测量小球碰撞前后速度的方法,既方便又实用。
解析:(1)为防止反弹造成入射球返回斜槽,要求入射球质量大于被碰球质量,即m1>m2,故选B。
(2)为保证两球从同一高度做平抛运动,实验中要求斜槽轨道末端的切线要调成水平。为保证实验有较好的可重复性以减小误差,实验中要求入射球每次从同一高度滚下。本实验是探究碰撞前后物理量的变化情况,故不需要斜槽轨道必须光滑,故选A、C、D。
(3)本实验必须测量的是两小球质量m1和m2,入射球m1单独飞出的水平距离和两小球m1和m2相碰后各自飞出的水平距离。因小球脱离轨道口后做的是相同高度的平抛运动,因此两球碰后落地时间相等,两小球水平分运动的时间也相等,故可以利用水平距离的测量代替速度的测量,所以不需要测量桌面离地的高度及两小球碰后落地的时间。故选A、F、G。
(4)设m1=3m,m2=2m,
则v1==
m/s,m1v1=
v′1==
m/s,m1v′1=
v2=0,v′2==
m/s,m2v′2=
m1v′1+m2v′2=。
所以m1v1=m1v′1+m2v′2,故C选项正确。
┃┃对点训练__■
2.(2020·北京市陈经纶中学高二下学期期中)小明做“探究碰撞中的不变量”实验的装置如图1所示,悬挂在O点的单摆由长为l的细线和直径为d的小球A组成,小球A与放置在光滑支撑杆上的直径相同的小球B发生对心碰撞,碰后小球A继续摆动,小球B做平抛运动。
(1)小明用游标卡尺测小球A直径如图2所示,则d=__14.40__mm。又测得了小球A质量m1,细线长度l,碰撞前小球A拉起的角度α和碰撞后小球B做平抛运动的水平位移x、竖直下落高度h,为完成实验,还需要测量的物理量有:__小球B质量m2,碰后小球A摆动的最大角β__。
(2)若A、B两球碰后粘在一起形成新单摆,其周期__大于__(选填“小于”“等于”或“大于”)粘合前单摆的周期(摆角小于5°)。
解析:
游标卡尺读数的方法是主尺读数加上游标读数;根据球A摆动过程中机械能守恒来分析球A的速度,根据平抛运动规律来分析球B的速度,从而确定要测量的物理量;两球粘在一起后球的重心发生变化,据此判断摆长的变化,从而判断周期的变化。
(1)球的直径为d=14
mm+×8
mm=14.40
mm;
根据机械能守恒定律可得碰撞前瞬间球A的速度m1gl(1-cosα)=m1v,碰撞后仍可根据机械能守恒定律计算小球A的速度,所以需要测出小球A碰后摆动的最大角β;小球B碰撞后做平抛运动,根据平抛运动规律可得小球B的速度,根据实验要求还需要测量小球B的质量m1;
(2)粘在一起后,球的重心发生变化,如图所示,摆长发生变化,故根据单摆周期T=2π可得周期变大。
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