2024-2025年新教材高中物理第一章動(dòng)量守恒定律4實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律學(xué)案新人教版選擇性必修第一冊(cè)

PAGE6-試驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律目標(biāo)體系構(gòu)建明確目標(biāo)·梳理脈絡(luò)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．駕馭驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的試驗(yàn)思路和試驗(yàn)方法；明確試驗(yàn)所需測(cè)量的物理量。2．設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出試驗(yàn)結(jié)論，驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。3．通過試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步領(lǐng)悟守恒思想?！舅季S脈絡(luò)】課前預(yù)習(xí)反饋教材梳理·落實(shí)新知學(xué)問點(diǎn)1試驗(yàn)思路讓兩個(gè)物體碰撞前沿同始終線運(yùn)動(dòng)，碰撞后仍沿這條直線運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)建條件，使系統(tǒng)所受外力的矢量和近似為0，滿意__動(dòng)量守恒__的條件。學(xué)問點(diǎn)2物理量的測(cè)量探討對(duì)象確定后，還須要明確所需測(cè)量的物理量和試驗(yàn)器材。須要測(cè)量物體的__質(zhì)量__，以及兩個(gè)物體發(fā)生碰撞前后各自的__速度__。物體的質(zhì)量可用__天平__干脆測(cè)量。學(xué)問點(diǎn)3數(shù)據(jù)分析選取質(zhì)量不同的兩個(gè)物體進(jìn)行碰撞，測(cè)出物體的質(zhì)量(m1，m2)和碰撞前后的速度(v1，v′1，v2，v2′)，若滿意m1v1＋m2v2＝__m1v′1＋m2v2′__，則驗(yàn)證了碰撞前后總__動(dòng)量__守恒。學(xué)問點(diǎn)4參考案例方案一：探討氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒1．試驗(yàn)器材：氣墊導(dǎo)軌、__光電計(jì)時(shí)器__、天平、__滑塊__(兩個(gè))、彈簧片、細(xì)繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等。2．試驗(yàn)原理：(1)調(diào)整導(dǎo)軌使之處于__水平__狀態(tài)，并使光電計(jì)時(shí)器系統(tǒng)正常工作。(2)速度的測(cè)量：記錄光電門擋光片的寬度Δx以及光電計(jì)時(shí)器顯示的擋光時(shí)間Δt，利用公式v＝__eq\f(Δx,Δt)__計(jì)算出兩滑塊碰撞前后的速度。方案二：探討斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒1．試驗(yàn)器材：鐵架臺(tái)，斜槽軌道，兩個(gè)大小相等、質(zhì)量__不__同的小球，重垂線，復(fù)寫紙，白紙，__天平__，__刻度尺_(dá)_，圓規(guī)，三角板等。2．試驗(yàn)的基本思想——轉(zhuǎn)化法：不易測(cè)量量轉(zhuǎn)化為易測(cè)量量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)思想。3．試驗(yàn)原理：(1)讓一個(gè)質(zhì)量較大的小球從斜槽上滾下，與放在斜槽末端的另一質(zhì)量較小的小球發(fā)生碰撞，之后兩小球都做__平拋__運(yùn)動(dòng)。(2)速度的測(cè)量：由于兩小球下落的高度相同，所以它們的飛行時(shí)間__相等__。假如用小球的飛行時(shí)間作時(shí)間單位，那么小球飛出的水平距離在數(shù)值上就等于它的水平__速度__。課內(nèi)互動(dòng)探究細(xì)研深究·破疑解難探究探討氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒1．試驗(yàn)裝置：如圖所示。2．物理量的測(cè)量(1)滑塊的質(zhì)量用天平干脆測(cè)量。(2)速度的測(cè)量：v＝eq\f(Δx,Δt)，式中的Δx為滑塊上擋光板的寬度，Δt為光電計(jì)時(shí)器記錄的滑塊上的擋光板經(jīng)過光電門的時(shí)間。3．碰撞情境的實(shí)現(xiàn)利用輕質(zhì)彈簧、細(xì)線、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等設(shè)計(jì)各種類型的碰撞，通過在滑塊上添加已知質(zhì)量的物塊來變更碰撞物體的質(zhì)量。(1)情境1：質(zhì)量不同的兩滑塊，一靜一動(dòng)碰撞；(2)情境2：兩滑塊追碰、相向碰，碰撞后分開；(3)情境3：兩滑塊擠壓彈簧后用細(xì)線連接，燒斷細(xì)線后兩滑塊分開；(4)情境4：兩滑塊碰撞后，撞針插入橡皮泥中，使滑塊連成一體。4．?dāng)?shù)據(jù)記錄與處理(1)規(guī)定正方向，碰撞前后速度的方向與正方向相同為正，相反為負(fù)。(2)通過計(jì)算碰撞前后的總動(dòng)量，檢驗(yàn)是否滿意動(dòng)量守恒定律。┃┃典例剖析__■典例1氣墊導(dǎo)軌是常用的一種試驗(yàn)儀器，它是利用氣泵使帶孔的導(dǎo)軌與滑塊之間形成氣墊，使滑塊懸浮在導(dǎo)軌上，滑塊在導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)可視為沒有摩擦。我們可以用帶豎直擋板C和D的氣墊導(dǎo)軌以及滑塊A和B來驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，試驗(yàn)裝置如圖所示(彈簧的長度忽視不計(jì))。試驗(yàn)步驟如下：a．用天平分別測(cè)出滑塊A、B的質(zhì)量mA、mB；b．調(diào)整氣墊導(dǎo)軌，使導(dǎo)軌處于水平；c．將A、B靜止放置在氣墊導(dǎo)軌上，在A和B間放入一個(gè)被壓縮的輕質(zhì)彈簧，用電動(dòng)卡銷鎖定；d．用刻度尺測(cè)出滑塊A的左端至擋板C的距離L1；e．按下電鈕放開卡銷，同時(shí)使分別記錄滑塊A、B運(yùn)動(dòng)時(shí)間的計(jì)時(shí)器起先工作，當(dāng)A、B滑塊分別碰撞C、D擋板時(shí)停止計(jì)時(shí)，登記滑塊A、B分別到達(dá)擋板C、D的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t1和t2。(1)試驗(yàn)中還應(yīng)測(cè)量的物理量是__滑塊B的右端到擋板D的距離L2__。(2)利用上述測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的表達(dá)式是__mAeq\f(L1,t1)＝mBeq\f(L2,t2)__，上式中算得A、B兩滑塊的動(dòng)量大小并不完全相等，產(chǎn)生誤差的緣由是：①__氣墊導(dǎo)軌可能不水平導(dǎo)致誤差__；②__滑塊受到阻力作用而導(dǎo)致誤差__。解析：(1)為了驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，須要測(cè)出滑塊B運(yùn)動(dòng)的速度，所以須要測(cè)量滑塊B的右端到擋板D的距離L2。(2)兩滑塊動(dòng)量守恒，滿意mAvA＝mBvB滑塊脫離彈簧后在導(dǎo)軌上做勻速直線運(yùn)動(dòng)vA＝eq\f(L1,t1)，vB＝eq\f(L2,t2)代入解得須要滿意的表達(dá)式為mAeq\f(L1,t1)＝mBeq\f(L2,t2)①氣墊導(dǎo)軌可能不水平導(dǎo)致誤差；②滑塊受到阻力作用而導(dǎo)致誤差。┃┃對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練__■1．某同學(xué)利用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行“探討氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒”試驗(yàn)，如圖所示，其中圖甲中兩滑塊相互碰撞的端面上分別裝有彈性碰撞架，圖乙中兩滑塊的碰撞端分別裝有撞針和橡皮泥。(1)分別用甲、乙兩圖的試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，碰撞時(shí)圖__甲__所示的裝置動(dòng)能損失得較小。(2)某次試驗(yàn)時(shí)使圖乙中A、B滑塊勻速相向滑動(dòng)并發(fā)生碰撞，測(cè)得碰撞前A、B的速度大小分別為vA＝2m/s，vB＝4m/s，碰后A、B以共同的速度v＝0.8m/s運(yùn)動(dòng)，方向與碰撞前A的運(yùn)動(dòng)方向相同，A、B的質(zhì)量分別用mA、mB表示，以碰撞前A的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较颍瑒t驗(yàn)證此過程中動(dòng)量守恒的表達(dá)式為__2mA－4mB＝0.8(mA＋mB)__；若表達(dá)式成立，則mA∶mB＝__4∶1__。解析：(1)題圖乙中兩滑塊碰撞后會(huì)連成一體，動(dòng)能損失較大。(2)由題意知，mAvA－mBvB＝(mA＋mB)v，代入數(shù)據(jù)得2mA－4mB＝0.8(mA＋mB)，解得mA∶mB＝4∶1。探究探討斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒1．測(cè)質(zhì)量：用天平測(cè)出兩個(gè)小球的質(zhì)量，并選質(zhì)量大的小球?yàn)槿肷湫∏颉?．試驗(yàn)裝置：將斜槽安裝在水平桌面上，并調(diào)整斜槽使其末端水平，在地面上鋪上白紙，上面再鋪好復(fù)寫紙，登記重垂線所指的位置O。3．試驗(yàn)操作：(1)不放被撞小球，讓入射小球從斜槽上某固定位置處自由滾下。重復(fù)10次，用圓規(guī)畫盡量小的圓把全部的小球落點(diǎn)圈在里面，圓心P就是小球落點(diǎn)的平均位置。(2)把被撞小球放在斜槽末端，讓入射小球從斜槽固定位置處自由滾下，使它們發(fā)生碰撞，重復(fù)10次，用①中的方法，標(biāo)出入射小球發(fā)生碰撞后落點(diǎn)的平均位置M和被撞小球落點(diǎn)的平均位置N。(3)連接O、N。測(cè)量線段OP、OM、ON的長度，將測(cè)量數(shù)據(jù)代入公式m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，看在誤差允許的范圍內(nèi)是否成立，如成立，則碰撞前后動(dòng)量守恒。4．留意事項(xiàng)(1)“水平”和“正碰”是操作中應(yīng)盡量予以滿意的前提條件。(2)斜槽末端必需水平。(3)入射球的質(zhì)量應(yīng)大于被碰球的質(zhì)量。(4)入射球每次都必需從斜槽上同一位置由靜止起先滾下。┃┃典例剖析__■典例2如圖所示，斜槽末端水平，小球m1從斜槽某一高度由靜止?jié)L下，落到水平面上的P點(diǎn)。今在槽口末端放一與m1半徑相同的球m2，仍讓球m1從斜槽同一高度滾下，并與球m2正碰后使兩球落地，球m1和m2的落地點(diǎn)分別是M、N。已知槽口末端在白紙上的投影位置為O點(diǎn)。則：(1)兩小球質(zhì)量的關(guān)系應(yīng)滿意__B__。A．m1＝m2 B．m1>m2C．m1<m2(2)試驗(yàn)必需滿意的條件__ACD__A．軌道末端的切線必需是水平的B．斜槽軌道必需光滑C．入射球m1每次必需從同一高度滾下D．入射球m1和被碰球m2的球心在碰撞瞬間必需在同一高度(3)試驗(yàn)中必需測(cè)量的是__AFG__。A．兩小球的質(zhì)量m1和m2B．兩小球的半徑r1和r2C．桌面離地的高度HD．小球起始高度E．從兩球相遇到兩球落地的時(shí)間F．小球m1單獨(dú)飛出的水平距離G．兩小球m1和m2相碰后飛出的水平距離(4)若兩小球質(zhì)量之比為m1∶m2＝3∶2，兩球落點(diǎn)狀況如下圖所示，則碰撞前后動(dòng)量是否守恒？思路引導(dǎo)：本題中利用平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，奇妙的供應(yīng)了一種測(cè)量小球碰撞前后速度的方法，既便利又好用。解析：(1)為防止反彈造成入射球返回斜槽，要求入射球質(zhì)量大于被碰球質(zhì)量，即m1>m2，故選B。(2)為保證兩球從同一高度做平拋運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)中要求斜槽軌道末端的切線要調(diào)成水平。為保證明驗(yàn)有較好的可重復(fù)性以減小誤差，試驗(yàn)中要求入射球每次從同一高度滾下。本試驗(yàn)是探究碰撞前后物理量的變更狀況，故不須要斜槽軌道必需光滑，故選A、C、D。(3)本試驗(yàn)必需測(cè)量的是兩小球質(zhì)量m1和m2，入射球m1單獨(dú)飛出的水平距離和兩小球m1和m2相碰后各自飛出的水平距離。因小球脫離軌道口后做的是相同高度的平拋運(yùn)動(dòng)，因此兩球碰后落地時(shí)間相等，兩小球水平分運(yùn)動(dòng)的時(shí)間也相等，故可以利用水平距離的測(cè)量代替速度的測(cè)量，所以不須要測(cè)量桌面離地的高度及兩小球碰后落地的時(shí)間。故選A、F、G。(4)設(shè)m1＝3m，m2＝2則v1＝eq\f(OP,t)＝eq\f(43.50×10－2,t)m/s，m1v1＝eq\f(1.305m,t)v′1＝eq\f(OM,t)＝eq\f(13.50×10－2,t)m/s，m1v′1＝eq\f(0.405m,t)v2＝0，v′2＝eq\f(ON,t)＝eq\f(45.00×10－2,t)m/s，m2v′2＝eq\f(0.9m,t)m1v′1＋m2v′2＝eq\f(1.305m,t)。所以m1v1＝m1v′1＋m2v′2，故碰撞前后動(dòng)量守恒。┃┃對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練__■2．某同學(xué)把兩塊大小不同的木塊用細(xì)線連接，中間夾一被壓縮了的輕彈簧，如圖所示。將這一系統(tǒng)置于光滑的水平桌面上，燒斷細(xì)線，視察木塊的運(yùn)動(dòng)狀況，進(jìn)行必要的測(cè)量，探究系統(tǒng)的動(dòng)量是否守恒。(1)試驗(yàn)還必需有的器材是__刻度尺、天平、重垂線__；(2)需干脆測(cè)量的數(shù)據(jù)是__兩木塊的質(zhì)量m1和m2，兩木塊落地點(diǎn)到桌面邊緣的水平距離s1