1.4实验：验证动量守恒定律 课件（30张PPT）

1.4.1实验：验证动量守恒定律
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。我们生活中的物体受到各种力的作用，难以满足这种理想化的条件。但是，在某些情况下，可以近似满足动量守恒的条件。
今天我们就来学习怎样用实验来验证动量守恒定律。
思考：我们学习了动量守恒定律，那么我们能否用实验来验证动量守恒定律呢？
一、实验：验证动量守恒定律
（一）实验思路
碰撞中的特殊情况——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。
虽然物体还受到重力、支持力、摩擦力、空气阻力等外力的作用，但是有些力的矢量和为0，有些力与系统内两物体的相互作用力相比很小。在可以忽略这些外力的情况下，碰撞满足动量守恒定律的条件。
（二）物理量的测量
根据动量的定义，很自然地想到，需要测量物体的质量，以及两个物体发生碰撞前后各自的速度。 m1，v1，v1′，m2，v2，v2′
物体的质量可用天平直接测量。本案例中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。
（三）数据分析
检验：碰撞前后总动量是否守恒，即m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2
方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
1.实验器材
气垫导轨、光电计时器、天平、滑块两个(带挡光片)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥。
实验装置
2.实验原理
天平称量出滑块质量m1，m2，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? ，式中Δx为挡光片的宽度， ?????为数字计时器显示的挡光片经过光电门的时间。
?
3.几种不同情形的碰撞
（1）选取两个质量不同的滑块，在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架滑块碰撞后随即分开。
甲：滑块碰撞后分开
（2）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，使两个滑块连成一体运动。如果在两个滑块的碰撞端分别贴上尼龙拉扣，碰撞时它们也会连成一体。
乙：滑块碰撞后粘连
（3）原来连在一起的物体由于有相互斥力而分开，这也是一种碰撞，例如在两个滑块间放置轻质弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，并用一根细线将两个滑块固定。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。
丙：弹簧使静止滑块分开
3.实验步骤
（1）用天平测量两滑块的质量m1、m2，填入预先设计好的表格中。
（2）安装好安装光电门、气垫导轨并调节气垫导轨水平。
（3）使两滑块依次发生甲、乙、丙图所示的碰撞情况，记录挡光时间，计算滑块碰撞前后的速度。
（4）验证：滑块碰撞前后动量守恒。
（5）整理实验仪器。
记录数据时应规定正方向。若速度方向与规定的正方向相同，则速度取正值，若速度方向与规定方向相反，则取负值。
思考：如果物体碰撞后的速度方向与原来的方向相反，应该怎样记录？
碰撞前
碰撞后
质量
m1=0.10kg
m2=0.15kg
m1=0.10kg
m2=0.15kg
速度
V1=0.4m/s
V2=-0.2m/s
V1?=-0.32m/s
V2?=0.28m/s
mv
m1v1+m2v2=
m1v1?+m2v2?=
12mv2
12m1v12+12m2v22=
12m1v1?2+12m2v2?2=
4.实验数据
甲:滑块碰撞后分开
0.01kg·m/s
0.01kg·m/s
0.011J
0.011J
在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架，滑块碰撞后随即分开，碰撞前后动量守恒，动能大小也不改变。
乙:滑块碰撞后粘连
碰撞前
碰撞后
质量
m1=0.10kg
m2=0.15kg
m1=0.10kg
m2=0.15kg
速度
V1=0.2m/s
V2=0.628m/s
V1?=0.373m/s
V2?=0.373m/s
mv
m1v1+m2v2=
m1v1?+m2v2?=
12mv2
12m1v12+12m2v22=
12m1v1?2+12m2v2?2=
0.094kg·m/s
0.093kg·m/s
0.030J
0.017J
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，使两个滑块连成一体运动时，两个滑块组成的系统动量守恒，动能减小。
碰撞前
碰撞后
质量
m1=0.10kg
m2=0.15kg
m1=0.10kg
m2=0.15kg
速度
V1=0
V2=0
V1?=0.225m/s
V2?=-0.15m/s
mv
m1v1+m2v2=
m1v1?+m2v2?=
12mv2
12m1v12+12m2v22=
12m1v1?2+12m2v2?2=
丙：弹簧使静止滑块分开
0
0
0
0.0042J
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，两个滑块组成的系统动量守恒，动能增大。
弹簧的弹性势能转化为滑块的动能，滑块的动能增加。
5.实验结论：系统不受外力，或者所受外力的矢量和为0，在实验误差允许范围内，两滑块组成的系统动量守恒。
注意：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。
思考：以上各种情况中，碰撞前后物体的动能之和有什么变化？
甲:滑块碰撞后分开，碰撞前后物体的动能之和不变。
乙:滑块碰撞后粘连，碰撞后物体的动能减小。
丙：弹簧使静止滑块分开，碰撞后物体的动能增大。
6.系统误差
主要来源于装置本身是否符合要求，即：
①碰撞是否为一维碰撞。
②实验是否满足动量守恒的条件。如斜槽末端切线方向是否水平，两碰撞球是否等大。
(2)偶然误差：主要来源于质量和速度的测量。
例1.在“验证动量守恒定律”的实验中，也可以探索mv2这个量(对应于动能)的变化情况．

（1）若采用弓形弹片弹开滑块的方案，如图甲所示，弹开后的mv2的总量_________ (填“大于”“小于”或“等于”)弹开前mv2的总量，这是因为——————————————————————————————————————
大于
弹片的弹性势能转化为滑块的动能，滑块的动能增加。
（2）若采用图乙所示的方案，碰撞前mv2的总量______ (填“大于”“小于”或“等于”)碰后mv2的总量，说明弹性碰撞中，__________守恒。
（3）若采用图丙所示的方案，碰撞前mv2的总量_____ (填“大于”“小于”或“等于”)碰后mv2的总量，说明非弹性碰撞中，存在__________损失。
等于
机械能
大于
机械能
变式训练：如图是利用强磁力片模拟小车的碰撞．则下列判断正确的是（ ）
A．利用气垫导轨可以忽略滑块与导轨接触面间的摩擦力，保证两滑块系统外力和为零
B．利用气垫导轨可以很容易保证两个滑块的碰撞是一维的
C．利用光电门可以迅速测量计算得到两个滑块碰撞前后的速度
D．该碰撞过程中，两滑块的动能和不变
ABC
技法点拨：
ABC说法正确
该过程中两滑块的碰撞不是弹性碰撞，故动能有所损失，即碰撞过程中，两滑块的动能和减小，故D错误。
实验：验证动量守恒定律
实验思路
利用光电门测量物体碰撞前后速度
利用天平测量滑块质量
物理量的测量
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
通过计算可判断碰撞过程动量是否守恒
1.在气垫导轨上进行实验时首先应该做的是(　 　)
A．给气垫导轨通气
B．给光电计时器进行归零处理
C．把滑块放到导轨上
D．检查挡光片通过光电门时是否能够挡光计时
A
2.（多选）在利用气垫导轨探究验证动量守恒的实验中,下列因素可导致实验误差的是(　　)
A.导轨安放不水平
B.小车上挡光板倾斜
C.两小车质量不相等
D.两小车碰撞后连在一起
AB
3.在用打点计时器做“验证动量守恒定律”实验时，下列哪些操作是正确的是（　　）
A．相互作用的两车上，一个装上撞针，一个装上橡皮泥，是为了改变两车的质量
B．相互作用的两车上，一个装上撞针，一个装上橡皮泥，是为了碰撞后粘在一起
C．释放小车时让小车紧靠打点计时器
D．先释放拖动纸带的小车，再接通打点计时器的电源
B
4. (多选)某同学利用光电门和气垫导轨做验证动量守恒定律实验，下列说法正确的是（　　）
A．滑块质量用天平测
B．挡光片的宽度用刻度尺测
C．挡光片通过光电门的时间用秒表测
D．挡光片通过光电门的时间用打点计时器测
AB
5. (多选)在“验证动量守恒定律”的实验中，若用气垫导轨和光电计时装置进行探究，则需用的测量仪器(或工具)还有（ ）
A.停表
B.天平
C.毫米刻度尺
D.螺旋测微器
BC
再见