（浙江選考）2020版高考物理一輪復習 實驗17 探究碰撞中的不變量課件

1、實驗實驗1717探究碰撞中的不變量探究碰撞中的不變量 一 實驗目的 三 實驗方案 四 注意事項 五 誤差分析 教教 材材 研研 讀讀 二 實驗原理 考點一 實驗原理與實驗操作 考點二 實驗數(shù)據(jù)處理與誤差分析 考點三 實驗拓展與實驗創(chuàng)新 考考 點點 突突 破破 一、實驗目的一、實驗目的 1.會用實驗裝置測速度或用其他物理量表示物體的速度大小。 2.驗證在系統(tǒng)不受外力的情況下,系統(tǒng)內(nèi)物體相互作用時系統(tǒng)總動量守恒。 二、實驗原理二、實驗原理 在一維碰撞中,測出物體的質量和碰撞前、后物體的速度,算出碰撞前的動 量p=m1v1+m2v2及碰撞后的動量p=m1v1+m2v2,看碰撞前后動量是否相等。 教材

2、研讀 三、實驗方案三、實驗方案 方案一:利用氣墊導軌完成一維碰撞實驗 實驗器材 氣墊導軌、光電計時器、天平、滑塊(兩個,上面裝有擋光片)、重物、 彈簧片、細繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等。 實驗步驟 1.測質量:用天平測出滑塊質量。 2.安裝:正確安裝好氣墊導軌。 3.實驗:接通電源,利用配套的光電計時裝置測出兩滑塊各種情況下碰撞 前后的速度(改變滑塊的質量;改變滑塊的初速度大小和方向)。 4.驗證:一維碰撞中的動量守恒。 數(shù)據(jù)處理 1.滑塊速度的測量:v=,式中x為滑塊上的擋光片的寬度(儀器說明書 上給出,也可直接測量),t為光電計時器顯示的滑塊上擋光片經(jīng)過光電 門的時間。 2.驗證的

3、表達式:m1v1+m2v2=m1v1+m2v2。 方案二:利用等長擺球完成一維碰撞實驗 實驗器材 帶細線的擺球(兩套)、鐵架臺、天平、量角器、坐標紙、膠布等。 x t 實驗步驟 1.測質量:用天平測出兩小球的質量m1、m2。 2.安裝:把兩個大小相同的小球用等長細線懸掛起來。 3.實驗:一個小球靜止,拉起另一個小球,放下時它們相碰。 4.測速度:可以測量小球被拉起的角度,從而算出碰撞前對應小球的速 度,測量碰撞后小球擺起的角度,算出 碰撞后對應小球的速度。 5.改變條件:改變碰撞條件,重復實驗。 6.驗證:一維碰撞中的動量守恒。 數(shù)據(jù)處理 1.擺球速度的測量:v=,式中h為小球釋放時(或碰撞后

4、擺起)的高度,h可 用刻度尺測量也可由小球被拉起(或碰撞后擺起)的角度和擺長計算出。 2.驗證的表達式:m1v1+m2v2=m1v1+m2v2。 方案三:利用兩輛小車完成一維碰撞實驗 實驗器材 光滑長木板、打點計時器、紙帶、小車(兩個)、天平、撞針、橡皮泥等。 2gh 實驗步驟 1.測質量:用天平測出兩小車的質量。 2.安裝:將打點計時器固定在光滑長木板的一端,把紙帶穿過打點計時 器,連在小車的后面,在兩小車的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥。 3.實驗:接通電源,讓小車A運動,小車B靜止,兩車碰撞時撞針插入橡皮泥 中,把兩小車連接成一個整體繼續(xù)向前運動。 4.測速度:通過紙帶上兩計數(shù)點間的距離及時

5、間,由v=算出速度。 5.改變條件:改變碰撞條件,重復實驗。 6.驗證:一維碰撞中的動量守恒。 數(shù)據(jù)處理 x t 1.小車速度的測量:v=,式中x是紙帶上兩計數(shù)點間的距離,可用刻度 尺測量,t為小車經(jīng)過x所用的時間,可由打點間隔算出。 x t 2.驗證的表達式:m1v1+m2v2=m1v1+m2v2。 方案四:利用斜槽和小球驗證動量守恒定律 實驗器材 斜槽、大小相等質量不同的小球兩個、天平、復寫紙、白紙、重垂 線、圓規(guī)、刻度尺等。 實驗步驟 1.測質量:用天平測出兩小球的質量,并選定質量大的小球為入射小球。 2.安裝:按照圖中所示安裝好實驗裝置。調(diào)整并固定斜槽使斜槽底端水平。 3.鋪紙:白紙在

6、下,復寫紙在上且在適當位置鋪放好。記下重垂線所指的 位置O。 4.放球找點:不放被撞小球,每次讓入射小球從斜槽上某固定高度處由靜 止自由滾下,重復10次。用圓規(guī)畫盡量小的圓把所有的小球落點圈在里 面。圓心P就是小球落點的平均位置。 5.碰撞找點:把被撞小球放在斜槽末端,每次讓入射小球從斜槽同一高度由 靜止自由滾下,使它們發(fā)生碰撞,重復實驗10次。用步驟4的方法,標出碰后 入射小球落點的平均位置M和被撞小球落點的平均位置N,如圖所示。 6.驗證:連接O、N,測量線段OP、OM、ON的長度。最后將數(shù)據(jù)代入m1 OP=m1OM+m2ON,看在誤差允許的范圍內(nèi)是否成立。 7.結束:整理好實驗器材放回原

7、處。 數(shù)據(jù)處理 驗證的表達式:m1OP=m1OM+m2ON。 四、注意事項四、注意事項 1.前提條件:碰撞的兩物體應保證“水平”和“正碰”。 2.方案提醒 (1)若利用氣墊導軌進行驗證,調(diào)整氣墊導軌時,應注意利用水平儀確保 導軌水平。 (2)若利用擺球進行驗證,兩擺球靜止時球心應在同一水平線上,且剛好 接觸,擺線豎直,將擺球拉起后,兩擺線應在同一豎直面內(nèi)。 (3)若利用兩小車相碰進行驗證,要注意平衡摩擦力。 (4)若利用平拋運動規(guī)律進行驗證,安裝實驗裝置時,應注意調(diào)整斜槽,使 斜槽末端水平;實驗時要選質量較大的小球為入射小球,且入射小球每 次都必須從斜槽上同一高度由靜止自由滾下。 3.探究結論

8、:尋找的不變量必須在各種碰撞情況下都不變。 五、誤差分析五、誤差分析 1.系統(tǒng)誤差:主要來源于裝置本身。 (1)碰撞是否為一維碰撞。 (2)實驗是否滿足動量守恒的條件,如氣墊導軌是否水平,兩球是否等大, 用長木板實驗時是否已平衡掉摩擦力等。 2.偶然誤差:主要來源于質量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的測量。 考點一實驗原理與實驗操作考點一實驗原理與實驗操作 考點突破 例例1如圖所示,用下列實驗裝置“探究碰撞中的不變量”,即研究兩個 小球在軌道水平部分碰撞前后的動量關系。 (1)實驗中,直接測定小球碰撞前后的速度是不容易的。但是,可以通過 僅測量 (填選項前的符號),間接地解決這個問題。

9、 A.小球開始釋放的高度h B.小球拋出點距地面的高度H C.小球做平拋運動的射程 (2)圖中O點是小球拋出點在地面上的垂直投影,實驗時先讓質量為m1的 入射球多次從斜軌上S位置靜止釋放,找到其平均落地點的位置P,測量 平拋射程OP,然后,把質量為m2的被碰小球靜置于軌道的水平部分,再將 入射球從斜軌上S位置靜止釋放,與被碰小球相碰,并多次重復。 接下來要完成的必要步驟是 。(填選項前的符號) A.用天平測量兩個小球的質量m1、m2 B.測量入射小球開始釋放的高度h C.測量拋出點距地面的高度H D.分別找到入射小球和被碰小球相碰后平均落地點的位置M、N E.測量平拋射程OM、ON (3)若兩

10、球相碰前后的動量守恒,其表達式可表示為 用(2)中測量的量表示。 若碰撞是彈性碰撞,那么還應滿足的表達式為 用(2)中測 量的量表示。 答案答案(1)C(2)ADE(3)m1OM+m2ON=m1OP m1OM2+m2ON2=m1OP2 解析解析(1)小球碰前和碰后的速度都可用平拋運動來測定,即v=。而由 H=gt2知,每次運動的豎直高度相等,平拋時間相等。若動量守恒,則 m1 =m1+m2;可得m1OP=m1OM+m2ON。故只需測做平拋運動的 射程,因而選C。 (2)由(1)中所得表達式知:在OP已知時,需測量m1、m2、OM和ON,故必要 步驟為A、D、E。 (3)若為彈性碰撞同時滿足動能

11、守恒,有 x t 1 2 OP t OM t ON t m1=m1+m2,可得m1OP2=m1OM2+m2ON2。 1 2 2 OP t 1 2 2 OM t 1 2 2 ON t 變式變式1如圖所示為實驗室中驗證動量守恒的實驗裝置示意圖。 (1)若入射小球質量為m1,半徑為r1;被碰小球質量為m2,半徑為r2,則 ( ) A.m1m2,r1r2 B.m1m2,r1m2,r1=r2 D.m10,則有m1-m20,即m1m2,為了使兩球發(fā)生正 碰,兩小球的半徑相同,即r1=r2,選C。 1 2 2 0 v 1 2 2 1 v 1 2 2 2 v 12 12 mm mm (2)P為碰前入射小球落點

12、的平均位置,M為碰后入射小球的平均位置,N 為碰后被碰小球的平均位置,小球離開軌道后做平拋運動,運動時間t= ,即平拋運動的時間相同,碰撞前入射小球的速度v0=,碰撞后入 射小球的速度v1=,碰撞后被碰小球的速度v2=,若m1v0=m1v1+m2v2, 則表明通過該實驗驗證了兩球碰撞過程中動量守恒,將三個速度代入得 m1OP=m1OM+m2ON,故需要測量的工具有刻度尺和天平,故選A、C; (3)由(2)可知,實驗需要驗證的表達式為m1OP=m1OM+m2ON。 2h g2 OP h g 2 OM h g 2 ON h g 考點二實驗數(shù)據(jù)處理與誤差分析考點二實驗數(shù)據(jù)處理與誤差分析 例例2現(xiàn)利用

13、圖甲所示的裝置“探究碰撞中的不變量”。在圖甲中,氣 墊導軌上有A、B兩個滑塊,滑塊A右側帶有一彈簧片,左側與打點計時 器(圖中未畫出)的紙帶相連;滑塊B左側也帶有一彈簧片,上面固定一遮 光片,光電計時器(未完全畫出)可以記錄遮光片通過光電門的時間。 實驗測得滑塊A的質量m1=0.310 kg,滑塊B的質量m2=0.108 kg,遮光片的 寬度d=1.00 cm;打點計時器所用交流電的頻率f=50 Hz。將光電門固定 在滑塊B的右側,啟動打點計時器,給滑塊A一向右的初速度,使它與B相 碰。碰后光電計時器顯示的時間為tB=3.500 ms,碰撞前后打出的紙帶 如圖乙所示。 若實驗允許的相對誤差絕對

14、值100%最大為 5%,本實驗是否在誤差范圍內(nèi)驗證了動量守恒定律?寫出運算過程。 碰撞前后總動量之差 碰前總動量 答案答案見解析 解析解析按定義,滑塊運動的瞬時速度大小v= 式中s為滑塊在很短時間t內(nèi)走過的路程 設紙帶上打出相鄰兩點的時間間隔為tA,則 tA=0.02 s tA可視為很短。 設滑塊A在碰撞前、后瞬時速度大小分別為v0、v1。將式和題圖給實 驗數(shù)據(jù)代入式得 s t 1 f v0=2.00 m/s v1=0.970 m/s 設滑塊B在碰撞后的速度大小為v2,由式有 v2= 代入題給實驗數(shù)據(jù)得 v2=2.86 m/s 設兩滑塊在碰撞前、后的總動量分別為p和p,則 p=m1v0 B d

15、 t p=m1v1+m2v2 兩滑塊在碰撞前后總動量相對誤差的絕對值為 p=100% 聯(lián)立式并代入有關數(shù)據(jù),得 p=1.7%”、“(3)守恒 10 解析解析(1)實驗中為了保證碰后做平拋運動,所以要求斜槽末端的切線 必須水平,為了保證碰撞前后小球在同一條直線上,所以要求A與B的球 心在碰撞瞬間必須在同一高度,故選B、C。 (2)為了防止碰撞過程中小球反彈,則兩小球的質量應滿足m1m2。 (3)由于碰撞前后都做平拋運動,下落高度一樣,所以水平方向上運動 時間一樣,則水平位移與平拋初速度成正比,則可以用水平位移代替速 度來驗證,根據(jù)數(shù)據(jù)得m1OP=m1OM+m2ON,所以碰撞過程動量守恒; 若已知

16、槽口末端離地高h=0.45 m,根據(jù)平拋運動可知: 水平方向:OM=v0t 豎直方向:h=gt2 解得:v0=1 m/s,vy=3 m/s 則碰撞后A球落地時的速度v= m/s。 1 2 22 0y vv10 考點三實驗拓展與實驗創(chuàng)新考點三實驗拓展與實驗創(chuàng)新 例例3某同學利用電火花打點計時器和氣墊導軌“探究碰撞中的不變 量”。氣墊導軌裝置如圖甲所示,所用的氣墊導軌裝置由導軌、滑塊、 彈射架等組成。在空腔導軌的兩個工作面上均勻分布著一定數(shù)量的小 孔,向導軌空腔內(nèi)不斷通入壓縮空氣,空氣會從小孔中噴出,使滑塊穩(wěn)定 地漂浮在導軌上,這樣就大大減小了因滑塊和導軌之間的摩擦而引起的 誤差。 (1)下面是實

17、驗的主要步驟: 安裝好氣墊導軌,調(diào)節(jié)氣墊導軌的調(diào)節(jié)旋鈕,使導軌水平; 向氣墊導軌通入壓縮空氣; 把電火花打點計時器固定在緊靠氣墊導軌左端彈射架的外側,將紙帶 穿過打點計時器與彈射架并固定在滑塊1的左側,調(diào)節(jié)打點計時器的高 度,直至滑塊拖著紙帶移動時,紙帶始終在水平方向; 使滑塊1擠壓導軌左端彈射架上的橡皮繩; 把滑塊2放在氣墊導軌的中間; 先 ,然后 ,讓滑塊帶動紙帶一起 運動; 取下紙帶,重復步驟,選出理想的紙帶如圖乙所示; 測得滑塊1的質量為310 g,滑塊2(包括橡皮泥)的質量為205 g。 完善實驗步驟的內(nèi)容。 (2)已知打點計時器每隔0.02 s打一個點,計算可知兩滑塊相互作用前系

18、統(tǒng)的總動量為 kg m/s;兩滑塊相互作用后系統(tǒng)的總動量為 kg m/s。(保留三位有效數(shù)字)。 (3)試說明(2)中兩結果不完全相等的主要原因是 。 答案答案(1)接通打點計時器的電源釋放滑塊1 (2)0.6200.618(3)紙帶與打點計時器限位孔有摩擦 解析解析(1)使用打點計時器時,先接通電源后釋放紙帶,所以先接通打點 計時器的電源,后釋放滑塊1。 (2)放開滑塊1后,滑塊1做勻速運動,跟滑塊2發(fā)生碰撞后一起做勻速運 動,根據(jù)紙帶的數(shù)據(jù)得碰撞前滑塊1的動量為p1=m1v1=0.310 kg m/s= 0.620 kg m/s,滑塊2的動量為零,所以碰撞前的總動量為0.620 kg m/s;碰 0.2 0.1 撞后滑塊1、2速度相等,總動量為p2=(m1+m2)v2=(0.310+0.205) kg m/s=0.618 kg m/s。 0.168 0.14 (3)結果不完全相等的主要原因是紙帶與打點計時器限位孔有摩擦。 變式變式3在一次實驗中,某同學選用了兩個外形相同的硬質小球A和B,小 球A質量較大,小球B質量較小。該同學實驗發(fā)現(xiàn):若在水平面上用A球 去撞擊原來靜止的B球,碰后A和B都向前運動;若用B球去撞擊原來靜止 的A球,碰后A球向前運動,B球向后運動。為了探究碰撞中的不變量,該 同學計劃用如圖所示的圓弧槽