高考物理实验专题实验16验证动量守恒定律.docx
- 文档编号:8436117
- 上传时间:2023-01-31
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:154.01KB
高考物理实验专题实验16验证动量守恒定律.docx
《高考物理实验专题实验16验证动量守恒定律.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高考物理实验专题实验16验证动量守恒定律.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
高考物理实验专题实验16验证动量守恒定律
实验十六 验证动量守恒定律
考纲解读1.会用实验装置测速度或用其他物理量表示物体的速度大小.2.验证在系统不受外力的作用下,系统内物体相互作用时总动量守恒.
基本实验要求
规律方法总结
1.实验原理
在一维碰撞中,测出物体的质量m和碰撞前、后物体的速度v、v′,算出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p′=m1v1′+m2v2′,看碰撞前后动量是否守恒.
2.实验器材
斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等.
3.实验步骤
(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.
(2)按照实验原理图甲安装实验装置.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.
(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.如实验原理图乙所示.
(6)连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度.将测量数据填入表中.最后代入m1
=m1
+m2
,看在误差允许的范围内是否成立.
(7)整理好实验器材放回原处.
(8)实验结论:
在实验误差允许范围内,碰撞系统的动量守恒.
1.数据处理
验证表达式:
m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′
2.注意事项
(1)前提条件
保证碰撞是一维的,即保证两物体在碰撞之前沿同一直线运动,碰撞之后还沿这条直线运动.
(2)利用斜槽进行实验,入射球质量要大于被碰球质量,即m1>m2,防止碰后m1被反弹.
考点一 对实验原理和操作的考查
例1 某同学用如图1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.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.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2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.
图1
图2
(1)碰撞后B球的水平射程应取______cm.
(2)在以下选项中,本次实验必须进行测量的有________(填选项号).
A.水平槽上未放B球时,测量A球落点位置到O点的距离
B.A球与B球碰撞后,测量A球及B球落点位置到O点的距离
C.测量A球或B球的直径
D.测量A球和B球的质量(或两球质量之比)
E.测量O点相对于水平槽面的高度
(3)实验中,关于入射球在斜槽上释放点的位置对实验影响的说法中正确的是( )
A.释放点越低,小球受阻力越小,入射小球速度越小,误差越小
B.释放点越低,两球碰后水平位移越小,水平位移测量的相对误差越小,两球速度的测量越准确
C.释放点越高,两球相碰时,相互作用的内力越大,碰撞前后动量之差越小,误差越小
D.释放点越高,入射小球对被碰小球的作用力越大,轨道对被碰小球的阻力越小
解析
(1)用一尽可能小的圆把小球落点圈在里面,可知圆心的位置是65.7cm,这也是小球落点的平均位置.
(2)本实验中要测量的数据有:
两个小球的质量m1、m2,三个落点到O点的距离x1、x2、x3,所以应选A、B、D.
(3)入射球的释放点越高,入射球碰前速度越大,相碰时内力越大,阻力的影响相对越小,可以较好的满足动量守恒的条件,也有利于减小测量水平位移时的相对误差,从而使实验的误差减小,选项C正确.
答案
(1)65.7
(2)ABD (3)C
考点二 对实验数据处理的考查
例2 某同学设计了一个用电磁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,推动小车A使之做匀速直线运动,然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘合成一体,继续做匀速直线运动.他设计的装置如图3甲所示.在小车A后连着纸带,电磁打点计时器所用电源频率为50Hz,长木板下垫着薄木片以平衡摩擦力.
甲
乙
图3
(1)若已测得打点纸带如图乙所示,并测得各计数点间距(已标在图上).A为运动的起点,则应选________段来计算A碰前的速度.应选________段来计算A和B碰后的共同速度(以上两空选填“AB”或“BC”或“CD”或“DE”).
(2)已测得小车A的质量m1=0.4kg,小车B的质量为m2=0.2kg,则碰前两小车的总动量为________kg·m/s,碰后两小车的总动量为________kg·m/s.
解析
(1)从分析纸带上打点的情况看,BC段既表示小车做匀速运动,又表示小车有较大速度,因此BC段能较准确地描述小车A在碰撞前的运动情况,应选用BC段计算小车A碰前的速度.从CD段打点的情况看,小车的运动情况还没稳定,而在DE段内小车运动稳定,故应选用DE段计算A和B碰后的共同速度.
(2)小车A在碰撞前速度v0=
=
m/s
=1.050m/s
小车A在碰撞前动量
p0=m1v0=0.4×1.050kg·m/s=0.420kg·m/s
碰撞后A、B的共同速度
v=
=
m/s=0.695m/s
碰撞后A、B的总动量
p=(m1+m2)v=(0.2+0.4)×0.695kg·m/s
=0.417kg·m/s
答案
(1)BC DE
(2)0.420 0.417
创新实验设计
1.实验方案
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.
2.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:
接通电源,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.
(2)安装:
把两个等大小球用等长悬线悬挂起来.
(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:
接通电源,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:
通过纸带上两计数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
方案四:
利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律
例3 气垫导轨(如图4)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a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源的频率均为b.气垫导轨正常工作后,接通两个打点计时器的电源,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5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x1、x2和x3.若题中各物理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4
图5
解析 打点周期为
,打x1、x2、x3均用时
.碰前其中一个滑块的动量
p1=mv1=m
=a
=0.2abx1
碰前另一个滑块的动量p2=mv2=m
=a
=0.2abx3,故碰前总动量
p=p1-p2=0.2ab(x1-x3),同理碰后总动量
p′=2m
=0.4abx2
答案 0.2abx1 0.2abx3 0.2ab(x1-x3) 0.4abx2
1.在利用悬线悬挂等大小球进行验证动量守恒定律的实验中,下列说法正确的是( )
A.悬挂两球的线长度要适当,且等长
B.由静止释放小球以便较准确地计算小球碰前的速度
C.两小球必须都是刚性球,且质量相同
D.两小球碰后可以粘合在一起共同运动
答案 ABD
解析 两线等长能保证两球正碰,以减小实验误差,所以A正确;由于计算碰撞前速度时用到了mgh=
mv2-0,即初速度为0,B正确;本实验中对小球的弹性性能无要求,C错误;两球正碰后,有各种运动情况,所以D正确.
2.在做“验证动量守恒定律”实验时,入射球a的质量为m1,被碰球b的质量为m2,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,每次都要使入射球从斜槽上不同的位置滚下
C.要验证的表达式是m1
=m1
+m2
D.要验证的表达式是m1
=m1
+m2
E.要验证的表达式是m1(
-2r)=m1(
-2r)+m2
答案 D
解析 在此装置中,应使入射球的质量大于被碰球的质量,防止入射球反弹或静止,故A错;入射球每次滚下必须从斜槽的同一位置,保证每次碰撞都具有相同的初动量,故B错;两球做平抛运动时都具有相同的起点,故应验证的关系式为m1
=m1
+m2
,D对,C、E错.
3.在实验室里为了验证动量守恒定律,一般采用如图7甲、乙所示的两种装置:
图7
(1)若入射小球质量为m1,半径为r1;被碰小球质量为m2,半径为r2,则( )
A.m1>m2,r1>r2
B.m1>m2,r1 C.m1>m2,r1=r2 D.m1 (2)若采用图乙所示装置进行实验,以下所提供的测量工具中必需的是________. A.直尺 B.游标卡尺 C.天平 D.弹簧测力计 E.秒表 (3)设入射小球的质量为m1,被碰小球的质量为m2,则在用图甲所示装置进行实验时(P为碰前入射小球落点的平均位置)所得“验证动量守恒定律”的结论为________________.(用装置图中的字母表示) 答案 (1)C (2)AC (3)m1· =m1· +m2· 解析 (1)为防止反弹造成入射小球返回斜槽,要求入射球质量大于被碰小球质量,即m1>m2;为使入射小球与被碰小球发生对心碰撞,要求两小球半径相同.故C正确. (2)设入射小球为a,被碰小球为b,a球碰前的速度为v1,a、b相碰后的速度分别为v1′、v2′.由于两球都从同一高度做平抛运动,当以运动时间为一个计时单位时,可以用它们平抛的水平位移表示碰撞前后的速度.因此,需验证的动量守恒关系m1v1=m1v1′+m2v2′可表示为m1x1=m1x1′+m2x2′.所以需要直尺、天平,而无需弹簧测力计、秒表.由于题中两个小球都可认为是从槽口开始做平抛运动的,两球的半径不必测量,故无需游标卡尺. (3)得出验证动量守恒定律的结论应为m1· =m1· +m2· . 4.如图8(a)所示,在水平光滑轨道上停着甲、乙两辆实验小车,甲车系一穿过打点计时器的纸带,当甲车受到水平向右的冲量时,随即启动打点计时器.甲车运动一段距离后,与静止的乙车发生正碰并粘在一起运动. 图8 纸带记录下碰撞前甲车和碰撞后两车运动情况如图(b)所示,电源频率为50Hz,则碰撞前甲车运动速度大小为________m/s,甲、乙两车的质量比m甲∶m乙=________. 答案 0.6 2∶1 解析 由纸带及刻度尺可得碰前甲车的速度为 v1= m/s=0.6m/s. 碰后两车的共同速度 v2= m/s=0.4m/s. 由动量守恒定律有m甲v1=(m甲+m乙)v2. 由此得甲、乙两车的质量比 = = = . 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9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9 (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____kg·m/s,B的动量的大小为________kg·m/s.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 (1)匀速直线 A、B两滑块的第一个间隔 (2)0.018 0.018 A、B两滑块作用前后总动量不变,均为0 解析 (1)A、B离开弹簧后因水平方向不再受外力作用,所以均做匀速直线运动,在离开弹簧前A、B均做加速运动,A、B两滑块的第一个间隔都应该比后面匀速时相邻间隔的长度小. (2)周期T= =0.1s,v= ,由题图知A、B匀速时速度分别为vA=0.09m/s,vB=0.06m/s,分开后A、B的动量大小均为pA=0.018kg·m/s,方向相反,满足动量守恒,系统的总动量为0. 6.某同学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10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数量的小孔,向导轨空腔内不断通入压缩空气,压缩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10 (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; 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,选出较理想的纸带如图乙所示; ⑧测得滑块1(包括撞针)的质量为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0.02s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________kg·m/s;两滑块相互作用以后质量与速度的乘积之和为______kg·m/s(保留三位有效数字). (3)试说明 (2)问中两结果不完全相等的主要原因是_________________________. 答案 (1)接通打点计时器的电源 放开滑块1 (2)0.620 0.618 (3)纸带与打点计时器的限位孔有摩擦 解析 (2)作用前滑块1的速度v1= m/s=2m/s,其质量与速度的乘积为0.310kg×2m/s=0.620kg·m/s,作用后滑块1和滑块2具有相同的速度v= m/s=1.2m/s,其质量与速度的乘积之和为(0.310kg+0.205kg)×1.2m/s=0.618kg·m/s. 7.如图11是用来验证动量守恒的实验装置,弹性球1用细线悬挂于O点,O点下方桌子的边缘有一竖直立柱.实验时,调节悬点,使弹性球1静止时恰与立柱上的球2右端接触且两球等高.将球1拉到A点,并使之静止,同时把球2放在立柱上.释放球1,当它摆到悬点正下方时与球2发生对心碰撞,碰后球1向左最远可摆到B点,球2落到水平地面上的C点.测出有关数据即可验证1、2两球碰撞时动量守恒.现已测出A点离水平桌面的距离为a、B点离水平桌面的距离为b,C点与桌子边缘间的水平距离为c. 图11 (1)还需要测量的量是____________________、______________________和________________________. (2)根据测量的数据,该实验中动量守恒的表达式为__________________________.(忽略小球的大小) 答案 (1)弹性球1、2的质量m1、m2 立柱高h 桌面离水平地面的高度H (2)2m1 =2m1 +m2 解析 (1)要验证动量守恒必须知道两球碰撞前、后的动量变化,根据弹性球1碰撞前后的高度a和b,由机械能守恒可以求出碰撞前、后的速度,故只要再测量弹性球1的质量m1,就能求出弹性球1的动量变化;根据平抛运动的规律只要测出立柱高h和桌面离水平地面的高度H就可以求出弹性球2碰撞前后的速度变化,故只要测量弹性球2的质量和立柱高h、桌面离水平地面的高度H就能求出弹性球2的动量变化. (2)根据 (1)的解析可以写出动量守恒的方程 2m1 =2m1 +m2 .
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高考 物理 实验 专题 16 验证 动量 守恒定律
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)