（浙江選考）2020版高考物理一輪復(fù)習(xí) 實(shí)驗(yàn)17 探究碰撞中的不變量課件

1、實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1717探究碰撞中的不變量探究碰撞中的不變量 一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?三 實(shí)驗(yàn)方案 四 注意事項(xiàng) 五 誤差分析 教教 材材 研研 讀讀 二 實(shí)驗(yàn)原理 考點(diǎn)一 實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)操作 考點(diǎn)二 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與誤差分析 考點(diǎn)三 實(shí)驗(yàn)拓展與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新 考考 點(diǎn)點(diǎn) 突突 破破 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?1.會用實(shí)驗(yàn)裝置測速度或用其他物理量表示物體的速度大小。 2.驗(yàn)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(shí)系統(tǒng)總動(dòng)量守恒。 二、實(shí)驗(yàn)原理二、實(shí)驗(yàn)原理 在一維碰撞中,測出物體的質(zhì)量和碰撞前、后物體的速度,算出碰撞前的動(dòng) 量p=m1v1+m2v2及碰撞后的動(dòng)量p=m1v1+m2v2,看碰撞前后動(dòng)量是否相等。 教材

2、研讀 三、實(shí)驗(yàn)方案三、實(shí)驗(yàn)方案 方案一:利用氣墊導(dǎo)軌完成一維碰撞實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)器材 氣墊導(dǎo)軌、光電計(jì)時(shí)器、天平、滑塊(兩個(gè),上面裝有擋光片)、重物、 彈簧片、細(xì)繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等。 實(shí)驗(yàn)步驟 1.測質(zhì)量:用天平測出滑塊質(zhì)量。 2.安裝:正確安裝好氣墊導(dǎo)軌。 3.實(shí)驗(yàn):接通電源,利用配套的光電計(jì)時(shí)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(zhì)量;改變滑塊的初速度大小和方向)。 4.驗(yàn)證:一維碰撞中的動(dòng)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(jì)時(shí)器顯示的滑塊上擋光片經(jīng)過光電 門的時(shí)間。 2.驗(yàn)證的

3、表達(dá)式:m1v1+m2v2=m1v1+m2v2。 方案二:利用等長擺球完成一維碰撞實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)器材 帶細(xì)線的擺球(兩套)、鐵架臺、天平、量角器、坐標(biāo)紙、膠布等。 x t 實(shí)驗(yàn)步驟 1.測質(zhì)量:用天平測出兩小球的質(zhì)量m1、m2。 2.安裝:把兩個(gè)大小相同的小球用等長細(xì)線懸掛起來。 3.實(shí)驗(yàn):一個(gè)小球靜止,拉起另一個(gè)小球,放下時(shí)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(yīng)小球的速 度,測量碰撞后小球擺起的角度,算出 碰撞后對應(yīng)小球的速度。 5.改變條件:改變碰撞條件,重復(fù)實(shí)驗(yàn)。 6.驗(yàn)證:一維碰撞中的動(dòng)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(shí)(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(jì)算出。 2.驗(yàn)證的表達(dá)式:m1v1+m2v2=m1v1+m2v2。 方案三:利用兩輛小車完成一維碰撞實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)器材 光滑長木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、小車(兩個(gè))、天平、撞針、橡皮泥等。 2gh 實(shí)驗(yàn)步驟 1.測質(zhì)量:用天平測出兩小車的質(zhì)量。 2.安裝:將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在光滑長木板的一端,把紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí) 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(shí)驗(yàn):接通電源,讓小車A運(yùn)動(dòng),小車B靜止,兩車碰撞時(shí)撞針插入橡皮泥 中,把兩小車連接成一個(gè)整體繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。 4.測速度:通過紙帶上兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離及時(shí)

5、間,由v=算出速度。 5.改變條件:改變碰撞條件,重復(fù)實(shí)驗(yàn)。 6.驗(yàn)證:一維碰撞中的動(dòng)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(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離,可用刻度 尺測量,t為小車經(jīng)過x所用的時(shí)間,可由打點(diǎn)間隔算出。 x t 2.驗(yàn)證的表達(dá)式:m1v1+m2v2=m1v1+m2v2。 方案四:利用斜槽和小球驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律 實(shí)驗(yàn)器材 斜槽、大小相等質(zhì)量不同的小球兩個(gè)、天平、復(fù)寫紙、白紙、重垂 線、圓規(guī)、刻度尺等。 實(shí)驗(yàn)步驟 1.測質(zhì)量:用天平測出兩小球的質(zhì)量,并選定質(zhì)量大的小球?yàn)槿肷湫∏颉?2.安裝:按照圖中所示安裝好實(shí)驗(yàn)裝置。調(diào)整并固定斜槽使斜槽底端水平。 3.鋪紙:白紙?jiān)?/p>

6、下,復(fù)寫紙?jiān)谏锨以谶m當(dāng)位置鋪放好。記下重垂線所指的 位置O。 4.放球找點(diǎn):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(fù)10次。用圓規(guī)畫盡量小的圓把所有的小球落點(diǎn)圈在里 面。圓心P就是小球落點(diǎn)的平均位置。 5.碰撞找點(diǎn):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(fù)實(shí)驗(yàn)10次。用步驟4的方法,標(biāo)出碰后 入射小球落點(diǎn)的平均位置M和被撞小球落點(diǎn)的平均位置N,如圖所示。 6.驗(yàn)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(jié)束:整理好實(shí)驗(yàn)器材放回原

7、處。 數(shù)據(jù)處理 驗(yàn)證的表達(dá)式:m1OP=m1OM+m2ON。 四、注意事項(xiàng)四、注意事項(xiàng) 1.前提條件:碰撞的兩物體應(yīng)保證“水平”和“正碰”。 2.方案提醒 (1)若利用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行驗(yàn)證,調(diào)整氣墊導(dǎo)軌時(shí),應(yīng)注意利用水平儀確保 導(dǎo)軌水平。 (2)若利用擺球進(jìn)行驗(yàn)證,兩擺球靜止時(shí)球心應(yīng)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(yīng)在同一豎直面內(nèi)。 (3)若利用兩小車相碰進(jìn)行驗(yàn)證,要注意平衡摩擦力。 (4)若利用平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證,安裝實(shí)驗(yàn)裝置時(shí),應(yīng)注意調(diào)整斜槽,使 斜槽末端水平;實(shí)驗(yàn)時(shí)要選質(zhì)量較大的小球?yàn)槿肷湫∏?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(jié)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(shí)驗(yàn)是否滿足動(dòng)量守恒的條件,如氣墊導(dǎo)軌是否水平,兩球是否等大, 用長木板實(shí)驗(yàn)時(shí)是否已平衡掉摩擦力等。 2.偶然誤差:主要來源于質(zhì)量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的測量。 考點(diǎn)一實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)操作考點(diǎn)一實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)操作 考點(diǎn)突破 例例1如圖所示,用下列實(shí)驗(yàn)裝置“探究碰撞中的不變量”,即研究兩個(gè) 小球在軌道水平部分碰撞前后的動(dòng)量關(guān)系。 (1)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)前的符號),間接地解決這個(gè)問題。

9、 A.小球開始釋放的高度h B.小球拋出點(diǎn)距地面的高度H C.小球做平拋運(yùn)動(dòng)的射程 (2)圖中O點(diǎn)是小球拋出點(diǎn)在地面上的垂直投影,實(shí)驗(yàn)時(shí)先讓質(zhì)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(diǎn)的位置P,測量 平拋射程OP,然后,把質(zhì)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(fù)。 接下來要完成的必要步驟是 。(填選項(xiàng)前的符號) A.用天平測量兩個(gè)小球的質(zhì)量m1、m2 B.測量入射小球開始釋放的高度h C.測量拋出點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)量守恒,其表達(dá)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(yīng)滿足的表達(dá)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(yùn)動(dòng)來測定,即v=。而由 H=gt2知,每次運(yùn)動(dòng)的豎直高度相等,平拋時(shí)間相等。若動(dòng)量守恒,則 m1 =m1+m2;可得m1OP=m1OM+m2ON。故只需測做平拋運(yùn)動(dòng)的 射程,因而選C。 (2)由(1)中所得表達(dá)式知:在OP已知時(shí),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(shí)滿足動(dòng)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(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證動(dòng)量守恒的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。 (1)若入射小球質(zhì)量為m1,半徑為r1;被碰小球質(zhì)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(diǎn)

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(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)時(shí)間t= ,即平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩球碰撞過程中動(dòng)量守恒,將三個(gè)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(shí)驗(yàn)需要驗(yàn)證的表達(dá)式為m1OP=m1OM+m2ON。 2h g2 OP h g 2 OM h g 2 ON h g 考點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與誤差分析考點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)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(dǎo)軌上有A、B兩個(gè)滑塊,滑塊A右側(cè)帶有一彈簧片,左側(cè)與打點(diǎn)計(jì)時(shí) 器(圖中未畫出)的紙帶相連;滑塊B左側(cè)也帶有一彈簧片,上面固定一遮 光片,光電計(jì)時(shí)器(未完全畫出)可以記錄遮光片通過光電門的時(shí)間。 實(shí)驗(yàn)測得滑塊A的質(zhì)量m1=0.310 kg,滑塊B的質(zhì)量m2=0.108 kg,遮光片的 寬度d=1.00 cm;打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(cè),啟動(dòng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,給滑塊A一向右的初速度,使它與B相 碰。碰后光電計(jì)時(shí)器顯示的時(shí)間為tB=3.500 ms,碰撞前后打出的紙帶 如圖乙所示。 若實(shí)驗(yàn)允許的相對誤差絕對

14、值100%最大為 5%,本實(shí)驗(yàn)是否在誤差范圍內(nèi)驗(yàn)證了動(dòng)量守恒定律?寫出運(yùn)算過程。 碰撞前后總動(dòng)量之差 碰前總動(dòng)量 答案答案見解析 解析解析按定義,滑塊運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度大小v= 式中s為滑塊在很短時(shí)間t內(nèi)走過的路程 設(shè)紙帶上打出相鄰兩點(diǎn)的時(shí)間間隔為tA,則 tA=0.02 s tA可視為很短。 設(shè)滑塊A在碰撞前、后瞬時(shí)速度大小分別為v0、v1。將式和題圖給實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式得 s t 1 f v0=2.00 m/s v1=0.970 m/s 設(shè)滑塊B在碰撞后的速度大小為v2,由式有 v2= 代入題給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得 v2=2.86 m/s 設(shè)兩滑塊在碰撞前、后的總動(dòng)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(dòng)量相對誤差的絕對值為 p=100% 聯(lián)立式并代入有關(guān)數(shù)據(jù),得 p=1.7%”、“(3)守恒 10 解析解析(1)實(shí)驗(yàn)中為了保證碰后做平拋運(yùn)動(dòng),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(zhì)量應(yīng)滿足m1m2。 (3)由于碰撞前后都做平拋運(yùn)動(dòng),下落高度一樣,所以水平方向上運(yùn)動(dòng) 時(shí)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(yàn)證,根據(jù)數(shù)據(jù)得m1OP=m1OM+m2ON,所以碰撞過程動(dòng)量守恒; 若已知

16、槽口末端離地高h(yuǎn)=0.45 m,根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)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(shí)的速度v= m/s。 1 2 22 0y vv10 考點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)拓展與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新考點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)拓展與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新 例例3某同學(xué)利用電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和氣墊導(dǎo)軌“探究碰撞中的不變 量”。氣墊導(dǎo)軌裝置如圖甲所示,所用的氣墊導(dǎo)軌裝置由導(dǎo)軌、滑塊、 彈射架等組成。在空腔導(dǎo)軌的兩個(gè)工作面上均勻分布著一定數(shù)量的小 孔,向?qū)к壙涨粌?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(dǎo)軌上,這樣就大大減小了因滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦而引起的 誤差。 (1)下面是實(shí)

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

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