最新人教版选修35高中物理实验16导学案.docx
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最新人教版选修35高中物理实验16导学案
实验十六 验证动量守恒定律
一、实验原
在一维碰撞中,测出物体的质量和碰撞前后物体的速度v、v′,找出碰撞前的动量p=1v1+2v2及碰撞后的动量p′=1v1′+2v2′,看碰撞前后动量是否守恒.
二、实验器材
方案一:
气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等.
方案二:
带细线的摆球(两套)、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.
方法四:
斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等.
三、实验步骤
方案一:
利用气垫导轨完成一维碰撞实验
(1)测质量:
用天平测出滑块质量.
(2)安装:
正确安装好气垫导轨.
(3)实验:
接通电,利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下(①改变滑块的质量.②改变滑块的初速度大小和方向)碰撞前后的速度.
(4)验证:
一维碰撞中的动量守恒.
方案二:
利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验
(1)测质量:
用天平测出两小球的质量1、2
(2)安装:
把两个等大小球用等长悬线悬挂起.
(3)实验:
一个小球静止,拉起另一个小球,放下时它们相碰.
(4)测速度:
可以测量小球被拉起的角度,从而算出碰撞前对应小球的速度,测量碰撞后小球摆起的角度,算出碰撞后对应小球的速度.
(5)改变条件:
改变碰撞条件,重复实验.
(6)验证:
一维碰撞中的动量守恒.
方案三:
在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验
(1)测质量:
用天平测出两小车的质量.
(2)安装:
将打点计时器固定在光滑长木板的一端,把纸带穿过打点计时器,连在小车的后面,在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥.
(3)实验:
接通电,让小车A运动,小车B静止,两车碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两小车连接成一体运动.
(4)测速度:
通过纸带上两计点间的距离及时间由v=算出速度.
(5)改变条件:
改变碰撞条件,重复实验.
(6)验证:
一维碰撞中的动量守恒.
方法四:
利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律
(1)用天平测出两小球的质量,并选定质量大的小球为入射小球.
图1
(2)按照图1所示安装实验装置.调整、固定斜槽使斜槽底端水平.
(3)白纸在下,复写纸在上且在适当位置铺放好.记下重垂线所指的位置O
(4)不放被撞小球,让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下,重复10次.用圆规画尽量小的圆把小球所有的落点都圈在里面.圆心P就是小球落点的平均位置.
图2
(5)把被撞小球放在斜槽末端,让入射小球从斜槽同一
高度自由滚下,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和被撞小球落
点的平均位置N如图2所示.
(6)连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度.将测量据填入表中.最后代入1=1+2,看在误差允许的范围内是否成立.
(7)整好实验器材放回原处.
(8)实验结论:
在实验误差范围内,碰撞系统的动量守恒.
四、注意事项
1.前提条件:
碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”.
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,用等长悬线悬挂后两小球刚好接触,摆线竖直,将小球拉起后,两条摆线应在同一竖直面内.
(3)若利用长木板进行实验,可在长木板下垫一小木片用以平衡摩擦力.
(4)若利用斜槽进行实验,入射球质量要大于被碰球质量,即:
1>2,防止碰后1被反弹.
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.
考点一 利用气垫导轨验证动量守恒定律
典例剖析
例1 某同利用打点计时器和气垫导轨做验证动量守恒定律的实验,气垫导轨装置如图3甲所示,所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成.在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着一定量的小孔,向导轨空腔内不断通入压缩空气,空气会从小孔中喷出,使滑块稳定地漂浮在导轨上,这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差.
图3
(1)下面是实验的主要步骤:
①安装好气垫导轨,调节气垫导轨的调节旋钮,使导轨水平;
②向气垫导轨通入压缩空气;
③把打点计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧,将纸带穿过打点计时器和弹射架并固定在滑块1的左端,调节打点计时器的高度,直至滑块拖着纸带移动时,纸带始终在水平方向;
④使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳;
⑤把滑块2放在气垫导轨的中间,已知碰后两滑块一起运动;
⑥先____________,然后__________,让滑块带动纸带一起运动;
⑦取下纸带,重复步骤④⑤⑥,选出较想的纸带如图乙所示;
⑧测得滑块1(包括撞针)的质量310g,滑块2(包括橡皮泥)的质量为205g
试着完善实验步骤⑥的内容.
(2)已知打点计时器每隔002打一个点,计算可知两滑块相互作用前质量与速度的乘积之和为____g·/;两滑块相互作用以后质量与速度的乘积之和为______g·/(保留三位有效字)
(3)试说明
(2)问中两结果不完全相等的主要原因是__________________________________
________________________________________________________________________
考点二 利用平抛运动验证动量守恒定律
典例剖析
例2 (2011·北京综·21
(2))如图4,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.
图4
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
B.小球抛出点距地面的高度H
.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1多次从斜轨上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OP然后,把被碰小球2静置于轨道的水平部分,再将入射球1从斜轨上S位置静止释放,与小球2相碰,并多次重复.
接下要完成的必要步骤是________.(填选项前的符号)
A.用天平测量两个小球的质量1、2
B.测量小球1开始释放的高度
.测量抛出点距地面的高度H
D.分别找到1、2相碰后平均落地点的位置M、N
E.测量平抛射程OM、ON
③若两球相碰前后的动量守恒,其表达式可表示为________(用②中测量的量表示);若碰撞是弹性碰撞,那么还应满足的表达式为__________(用②中测量的量表示).
④经测定,1=450g,2=75g,小球落地点的平均位置距O点的距离如图5所示.碰撞前、后1的动量分别为p1与p1′,则p1∶p1′=________∶11;若碰撞结束时2的动量为p2′,则p1′∶p2′=11∶________
图5
实验结果说明,碰撞前、后总动量的比值为________.
⑤有同认为,在上述实验中仅更换两个小球的材质,其他条件不变,可以使被碰小球做平抛运动的射程增大,请你用④中已知的据,分析和计算出被碰小球2平抛运动射程ON的最大值为________c
1在做“验证动量守恒定律”实验时,入射球的质量为1,被
碰球b的质量为2,小球的半径为r,各小球的落地点如图6
所示,下列关于这个实验的说法正确的是( )
图6
A.入射球与被碰球最好采用大小相同、质量相等的小球
B.让入射球与被碰球连续10次相碰,每次都要使入射小球从斜槽上不同的位置滚下
.要验证的表达式是1=1+2
D.要验证的表达式是1=1+2
E.要验证的表达式是1(-2r)=1(-2r)+2
图7
2某同用如图7所示装置验证动量守恒定律,用轻质细线将小球
1悬挂于O点,使小球1的球心到悬点O的距离为L,被碰小
球2放在光滑的水平桌面上.将小球1从右方的A点(OA与竖
直方向的夹角为α)由静止释放,摆到最低点时恰与小球2发生
正碰,碰撞后,小球1继续向左运动到位置,小球2落到水平地面上到桌面边缘水平
距离为的D点.
(1)实验中已经测得上述物量中的α、L、,为了验证两球碰撞过程动量守恒,还应该测量的物量有____________________________________________________________.
(2)请用测得的物量结合已知物量表示碰撞前后小球1、小球2的动量:
p1=__________;p1′=__________;p2=________;p2′=________
3.为了验证碰撞中的动量守恒,实验宜在气垫导轨上进行,这样可以大大减小阻力,使滑块在碰撞前后的运动可以看成是匀速运动.使实验的可靠性及准确度得以提高.在某次实验中,A、B两铝制滑块在一水平长气垫导轨上相碰,用闪光照相机每隔04秒的时间拍摄一次照片,每次拍摄时闪光的延续时间很短,如图8所示,已知A、B之间的质量关系是B=15A,拍摄共进行了4次,第一次是在两滑块相撞之前,以后的三次是在碰撞之后.A原处于静止状态,设A、B滑块在拍摄闪光照片的这段时间内是在10c至105c这段范围内运动(以滑块上的箭头位置为准),试根据闪光照片求出:
图8
(1)A、B两滑块碰撞前后的速度各为多少?
(2)根据闪光照片分析说明两滑块碰撞前后动量是否守恒.
4气垫导轨(如图9)工作时,空气从导轨表面的小孔喷出,在导轨
表面和滑块内表面之间形成一层薄薄的空气层,使滑块不与导
图9
轨表面直接接触,大大减小了滑块运动时的阻力.为了验证动
量守恒定律,在水平气垫导轨上放置两个质量均为的滑块,每个滑
块的一端分别与穿过打点计时器的纸带相连,两个打点计时器所用电的频率均为b气垫导轨正常工作后,接通两个打点计时器的电,并让两滑块以不同的速度相向运动,两滑块相碰后粘在一起继续运动.图10为某次实验打出的点迹清晰的纸带的一部分,在纸带上以相同间距的6个连续点为一段划分纸带,用刻度尺分别量出其长度1、2和3若题中各物量的单位均为国际单位,那么,碰撞前两滑块的动量大小分别为________、________,两滑块的总动量大小为________;碰撞后两滑块的总动量大小为________.重
复上述实验,多做几次.若碰撞前、后两滑块的总动量在实验误差允许的范围内相等,则动量守恒定律得到验证.
图10
5.气垫导轨上有A、B两个滑块,开始时两个滑块静止,它们之间有一根被压缩的轻质弹簧,滑块间用绳子连接(如图11甲所示),绳子烧断后,两个滑块向相反方向运动,图乙为它们运动过程的频闪照片,频闪的频率为10Hz,由图可知:
图11
(1)A、B离开弹簧后,应该做________运动,已知滑块A、B的质量分别为200g、300g,根据照片记录的信息,从图中可以看出闪光照片有明显与事实不相符合的地方是____________________________________________.
(2)若不计此失误,分开后,A的动量大小为____g·/,B的动量的大小为________g·/本实验中得出“在实验误差允许范围内,两滑块组成的系统动量守恒”这一结论的依据是__________________________________________.
答案
课堂探究
例1
(1)接通打点计时器的电 放开滑块1
(2)0620 0618 (3)纸带与打点计时器的限位孔有摩擦
例2 ① ②ADE或DEA或DAE
③1·OM+2·ON=1·OP
1·OM2+2·ON2=1·OP2
④14 29 1(1~101均可) ⑤768
随堂训练
1.D
2.
(1)小球1的质量1,小球2的质量2,桌面高度,O与竖直方向的的夹角β
(2)1
1 0 2
3.见解析
解析
(1)由题意可知,
碰前:
vA=0
碰后:
从发生碰撞到第二次拍摄照片,A运动的时间是
1===02
由此可知,从拍摄第一张照片到发生碰撞的时间是
2=(04-02)=02
则碰前物体B的速度为
vB==/=1/
(2)碰撞前的动量:
p=AvA+BvB=15A
碰撞后的动量:
p′=AvA′+BvB′=075A+075A=15A,可见p=p′,所以两滑块碰撞前后动量守恒.
4.02b1 02b3 02b(1-3)
0.4b2
5.
(1)匀速直线 A、B两滑块的第一个间隔
(2)0018 0018 A、B两滑块作用前后总动量不变,均为0
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