1.4 實驗：驗證動量守恒定律

1、61.4實驗：驗證動量守恒定律一、實驗?zāi)康?. 掌握動量守恒定律適用范圍。2.會用實驗驗證動量守恒定律。二、實驗原理1. 碰撞中的特殊情況一維碰撞兩個物體碰撞前沿同一直線運(yùn)動，碰撞后仍沿這條直線運(yùn)動.2兩個物體在發(fā)生碰撞時，作用時間很短。根據(jù)動量定理，它們的相互作用力很大。如果把這兩個物體看作一個系統(tǒng)，那么，雖然物體還受到重力、支持力、摩擦力、空氣阻力等外力的作用，但是這些力與系統(tǒng)內(nèi)兩物體的相互作用力相比很小，在可以忽略這些外力的情況下，使系統(tǒng)所受外力的矢量和近似為0,因此，碰撞滿足動量守恒定律的條件。3. 物理量的測量需要測量物體的質(zhì)量，以及兩個物體發(fā)生碰撞前后各自的速度。物體的質(zhì)量可用天平

2、直接測量。速度的測量可以有不同的方式，根據(jù)所選擇的具體實驗方案來確定。三、實驗方案設(shè)計方案一：用氣墊導(dǎo)軌完成兩個滑塊的一維碰撞，實驗裝置如圖所示：(1) 質(zhì)量的測量：用天平測量質(zhì)量.實驗過程：(1) 測質(zhì)量：用天平測出小車的質(zhì)量mm2。(2) 安裝：正確安裝好光電計時器和滑軌。(3) 實驗：接通電源，讓質(zhì)量小的小車在兩個光電門之間，給質(zhì)量大的小車一個初速度去碰撞質(zhì)量小的小車，利用配套的光電計時器測出兩個小車各種情況下碰撞前后的速度VfV,、V,。本實驗可以研究以下幾種情況。a. 選取兩個質(zhì)量不同的滑塊，在兩個滑塊相互碰撞的端面裝上彈性碰撞架，滑塊碰撞后隨即分開。b. 在兩個滑塊的碰撞端分別裝上

3、撞針和橡皮泥，碰撞時撞針插入橡皮泥中，使兩個滑塊連成一體運(yùn)動。如果在兩個滑塊的碰撞端分別貼上尼龍拉扣，碰撞時它們也會連成一體。c. 原來連在一起的兩個物體，由于相互之間具有排斥的力而分開，這也可視為一種碰撞。這種情況可以通過下面的方式實現(xiàn):在兩個滑塊間放置輕質(zhì)彈簧，擠壓兩個滑塊使彈簧壓縮，并用一根細(xì)線將兩個滑塊固定。燒斷細(xì)線，彈簧彈開后落下，兩個滑塊由靜止向相反方向運(yùn)動。(4) 填寫實驗表格。碰撞前碰撞后質(zhì)量m二1m二2m二1m二2速度v二v二v'=v'=1212方案二：研究兩個小球在斜槽末端發(fā)生碰撞，實驗裝置如圖：(1) 將斜槽固定在鐵架臺上，使槽的末端水平。讓一個質(zhì)量較大的

4、小球(入射小球)從斜槽上滾下，跟放在斜槽末端的另一個大小相同、質(zhì)量較小的小球(被碰小球)發(fā)生正碰。(2) 使入射小球從斜槽不同高度處滾下，測出兩球的質(zhì)量以及它們每次碰撞前后的速度，就可以驗證動量守恒定律。(3) 兩個小球碰撞前后瞬間的速度方向都是水平的，因此，兩球碰撞前后的速度，可以利用平拋運(yùn)動的知識求出。在這個實驗中也可以不測量速度的具體數(shù)值。做平拋運(yùn)動的小球落到地面，它們的下落高度相同，飛行時間也就相同。因此，小球碰撞后的速度之比就等于它們落地時飛行的水平距離之比。(4) 用圓規(guī)畫盡量小的圓把所有的小球落點(diǎn)圈在里面。圓心就是小球落點(diǎn)的平均位置。(5) 每次讓入射小球從斜槽同一高度自由滾下，

5、使它們發(fā)生碰。四、實驗步驟不論采用哪種方案，實驗過程均可按實驗方案合理安排，參考步驟如下：1用天平測量相關(guān)碰撞物體的質(zhì)量皿12. 安裝實驗裝置.3使物體發(fā)生一維碰撞.4. 測量或讀出碰撞前后相關(guān)的物理量，計算對應(yīng)的速度.5. 改變碰撞條件，重復(fù)步驟3、4.6. 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過分析比較，找出碰撞中的“不變量”.7. 整理器材，結(jié)束實驗.五、數(shù)據(jù)處理將實驗中測得的物理量填入表表，填表時需注意物體碰撞后運(yùn)動的速度與原來的方向相反的情況。分別計算出兩物體碰撞前后的總動量，并檢驗碰撞前后總動量的關(guān)系是否滿足動量守恒定律，即mv'+mv'=mv+mv11221122六、誤差分析1. 系

6、統(tǒng)誤差：主要來源于裝置本身是否符合要求，即：(1) 碰撞是否為一維碰撞.(2) 實驗中是否合理控制實驗條件，如氣墊導(dǎo)軌是否水平，兩球是否等大，長木板實驗是否平衡摩擦力.2. 偶然誤差：主要來源于對質(zhì)量m和速度v的測量.七、注意事項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)行實驗，調(diào)整氣墊導(dǎo)軌時，注意利用水平儀確保導(dǎo)軌水平.(2) 若利用擺球進(jìn)行實驗，兩小球靜止時球心應(yīng)在同一水平線上，且剛好接觸，擺線豎直，將小球拉起后,兩條擺線應(yīng)在同一豎直平面內(nèi).(3) 若利用長木板進(jìn)行實驗，可在長木板的一端下墊一小木片用以平衡摩擦力.練習(xí)：1某同學(xué)設(shè)計了一個用打

7、點(diǎn)計時器“探究碰撞中的不變量”的實驗，在小車A的前端粘有橡皮泥，設(shè)法使小車A做勻速直線運(yùn)動，然后與原來靜止的小車B相碰并黏在一起繼續(xù)做勻速運(yùn)動，如圖所示.在小車A的后面連著紙帶，電磁打點(diǎn)計時器的頻率為50Hz.打點(diǎn)計時器n-熬帶(ABCDEO3也知+9-聽一單也(1)若已得到打點(diǎn)紙帶如圖所示，并測得各計數(shù)點(diǎn)間的距離.則應(yīng)選圖中段來計算A碰前的速度，應(yīng)選段來計算A和B碰后的速度.已測得小車A的質(zhì)量mA=0.40kg，小車B的質(zhì)量叫=0.20kg，則由以上結(jié)果可得碰前mAvA+mBvB=kgm/s，碰后mAVAz+mBVBz=kgm/s.(3) 從實驗數(shù)據(jù)的處理結(jié)果來看，A、B碰撞的過程中，能否驗

8、證動量守恒定律？2某同學(xué)在“探究碰撞中的不變量”實驗中，采用如圖甲所示的實驗裝置，在已經(jīng)平衡過摩擦力的軌道上，停著A、B兩小車，A車系一穿過打點(diǎn)計時器(打點(diǎn)頻率為50Hz)的紙帶，在啟動計時器后，給A車沿軌道方向的初速度,A車運(yùn)動一段距離后，與靜止的B車發(fā)生正碰，由于兩車相撞處裝有尼龍拉扣(圖中未畫出)，兩車立即粘在一起繼續(xù)運(yùn)動，紙帶記錄下碰撞前A車和碰撞后兩車的運(yùn)動情況如圖乙所示，則可測出碰撞后兩車的速度為m/s(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)；為完成實驗，他還需要測量的物理量有.A甲lll|llll|llll|llll|llll|llll|llll|llll|llll|llll|llll|llll

9、|llll|llll|llll|llll|llI23IS67«cm3. (多選)在用打點(diǎn)計時器做“探究碰撞中的不變量”實驗時，下列哪些操作是正確的()A. 相互作用的兩車上，一個裝上撞針，一個裝上橡皮泥，是為了改變兩車的質(zhì)量B. 相互作用的兩車上，一個裝上撞針，一個裝上橡皮泥，是為了碰撞后粘在一起C. 先接通打點(diǎn)計時器的電源，再釋放拖動紙帶的小車D. 先釋放拖動紙帶的小車，再接通打點(diǎn)計時器的電源4如圖甲所示，在水平光滑軌道上停著甲、乙兩輛實驗小車，甲車上系有一穿過打點(diǎn)計時器的紙帶，當(dāng)甲車獲得水平向右的速度時，隨即啟動打點(diǎn)計時器.甲車運(yùn)動一段距離后，與靜止的乙車發(fā)生正碰并粘在一起運(yùn)動，

10、紙帶記錄下碰撞前甲車和碰撞后兩車的運(yùn)動情況，如圖乙所示，電源頻率為50Hz,則碰撞前甲車速度大小為m/s,碰撞后兩車的共同速度大小為m/s.5某同學(xué)設(shè)計了一個用打點(diǎn)計時器“探究碰撞中的不變量”的實驗：在小車A的前端粘有橡皮泥，在小車A后連著紙帶，推動小車A使之做勻速運(yùn)動，然后與原來靜止在前方的小車B相碰并粘合成一體，繼續(xù)做勻速運(yùn)動，他設(shè)計的具體裝置如圖甲所示.(1) 長木板右端下面墊放一小木片的目的是.(2) 若已獲得的打點(diǎn)紙帶如圖乙所示，A為運(yùn)動的起點(diǎn)，各計數(shù)點(diǎn)間距分別記為AB、BC、CD和DE,用天平測得A、B兩車的質(zhì)量分別為mA、叫，則需驗證的表達(dá)式為.G6.某同學(xué)用如圖所示裝置通過半徑

11、相同的A、B兩球的碰撞來驗證動量守恒定律.實驗時先使A球從斜槽上某一固定位置G由靜止開始滾下，落到位于水平地面的記錄紙上，留下痕跡.重復(fù)上述操作10次，得到10個落點(diǎn)痕跡.再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，讓A球仍從位置G由靜止開始滾下，和B球碰撞后，A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點(diǎn)痕跡.重復(fù)這種操作10次，得到了如圖所示的三個落地點(diǎn).(1)0P=.已知m：m=2：1，碰撞過程中動量守恒,AB則由圖可以判斷出R是球的落地點(diǎn)，P是球的落地點(diǎn).(3) 用題中的字母寫出動量守恒定律的表達(dá)式(4) 在以下選項中，哪些是本次實驗必須進(jìn)行的測量？答：(填選項序號)。A. 水平槽上未放b球時，測量a球落點(diǎn)位置到0點(diǎn)的距離B. a球與b球碰撞后，分別測量a球和b球的落點(diǎn)位置到0點(diǎn)的距離x、x23C. 測量a球或b球的直徑dD. 測量a球和b球的質(zhì)量m、m(或兩球質(zhì)量之比)abE. 測量G點(diǎn)相對于水平槽面的高度H(5) 實驗必須滿足的條件是(填選項的符號)。A. 斜槽軌道必須是光滑的B. 斜槽軌道末端的切線是水平的C. 入射小球每次都要從同一高度由靜止?jié)L下D. 若入射小球的質(zhì)量為m,被