實驗八　驗證動量守恒定律

實驗八驗證動量守恒定律1.氣墊導軌是常用的一種實驗儀器,它利用氣泵使帶孔的導軌與滑塊之間形成氣墊,使滑塊懸浮在導軌上,滑塊在導軌上的運動可視為沒有摩擦.現(xiàn)用帶豎直擋板的氣墊導軌和帶有擋光片的滑塊1和2驗證動量守恒定律,實驗裝置如圖甲所示,實驗步驟如下:a.用天平分別測出滑塊1、2的質量m1、m2;b.用游標卡尺測出滑塊1、2上的擋光片的寬度d1;c.調整氣墊導軌使導軌處于水平;d.在滑塊1、2間放入一個被壓縮的輕彈簧(圖中未畫出),用電動卡銷鎖定,靜止放置在兩光電門之間的氣墊導軌上;e.按下電鈕松開卡銷,記錄滑塊1通過光電門1的擋光時間t1以及滑塊2通過光電門2的擋光時間t2.(1)實驗中測量擋光片的寬度d1時游標卡尺示數(shù)如圖乙所示,則d1=0.5mm.

(2)利用上述測量的實驗數(shù)據驗證動量守恒定律的表達式為

m1t1=m2[解析](1)由圖示游標卡尺可知,擋光片的寬度為d1=0mm+5×0.1mm=0.5mm.(2)滑塊經過兩光電門時的速度大小分別為v1=d1t1、v2=d1t2,由動量守恒定律得m1v1-m2v2.小羽同學用圖所示裝置驗證動量守恒定律.實驗時,先讓入射球mA,多次從斜軌上C位置由靜止釋放;然后,把被碰小球mB靜置于軌道的末端,再將入射小球mA從斜軌上C位置由靜止釋放,與小球mB相撞,多次重復此步驟,用最小圓圈法分別找到小球的平均落點M、P、N,圖中O點為小球拋出點在水平地面上的垂直投影.(1)關于此碰撞實驗,下列說法正確的是BD(多項選擇題);

A.斜槽必須光滑B.斜槽末端必須水平C.入射球和被碰球的質量必須相等,且大小相同D.需要測量A球和B球的質量mA和mB(2)實驗器材準備時,為確保小球A碰后不彈回,要求mA>mB;(選填“>”“<”或“=”)

(3)若兩球相碰前后的動量守恒,其表達式為:OP=OM+mBmA·ON.(用mA、mB、OM、[解析](1)斜槽不一定必須光滑,只要小球到達底端時速度相等即可,選項A錯誤;斜槽末端必須水平,以保證小球做平拋運動,選項B正確;為防止入射球碰后反彈,則入射球的質量要大于被碰球的質量,為保證兩球發(fā)生正碰,則兩球的大小要相同,選項C錯誤;設小球在空中運動的時間為t,小球m1的碰前速度為v1=OPt,其碰后速度v'1=OMt,小球m2的碰后速度為v2=ONt,若滿足動量守恒定律則有mAvA=mAvA'+mBvB,即mAOP=mAOM+mBON,則需要測量A球和B球的質量mA和mB,選項(2)實驗器材準備時,為確保小球A碰后不彈回,要求入射球的質量要大于被碰球的質量,即mA>mB.(3)由mAOP=mAOM+mBON,可知OP=OM+mB3.如圖甲所示,用半徑相同的兩個小球的碰撞驗證動量守恒定律.實驗時先讓質量為m1的A球從斜槽上某一固定位置C由靜止釋放,A球從軌道末端水平拋出,落到位于水平地面的復寫紙上,在下面的白紙上留下痕跡.重復上述操作10次,得到10個落點痕跡,再把質量為m2的B球放在水平軌道末端,將A球仍從位置C由靜止釋放,A球和B球碰撞后,分別在白紙上留下各自的落點痕跡,重復操作10次.M、P、N為三個落點的平均位置,O點是水平軌道末端在記錄紙上的豎直投影點,如圖乙所示.(1)下列說法中正確的是AE(填選項前的字母).

A.安裝軌道時,軌道末端必須水平B.實驗前應該測出斜槽末端距地面的高度C.實驗中兩個小球的質量應滿足m1<m2D.除了圖中器材外,完成本實驗還必須使用的器材是天平、刻度尺和停表E.未放B球時,A球落點的平均位置是P點(2)實驗中,測量出兩個小球的質量m1、m2,測量出三個落點的平均位置M、P、N與O點距離分別為x1、x2、x3.在實驗誤差允許范圍內,若滿足關系式m1x2=m1x1+m2x3(用所測物理量的字母表示),則可以認為兩球碰撞前后的總動量守恒.

(3)某實驗小組設計用上述裝置來研究碰撞前后動能的變化,實驗方案如下:如圖丙所示,使從斜槽軌道滾下的小球打在正對的豎直墻上,把白紙和復寫紙附在墻上,記錄小球的落點.選擇半徑相等的小鋼球A和硬塑料球B進行實驗,測量出A、B兩個小球的質量m1、m2,其他操作重復驗證動量守恒時的步驟.M'、P'、N'為豎直記錄紙上三個落點的平均位置,小球靜止于水平軌道末端時球心在豎直記錄紙上的水平投影點為O',用刻度尺測量M'、P'、N'到O'的距離分別為y1、y2、y3.①在實驗誤差允許范圍內,若滿足關系式

m1y2=m1②在分析操作可行性時發(fā)現(xiàn),按此種方法操作,有非常大的可能無法得到碰撞后A球的落點,請分析原因當入射小球A與被碰小球B碰撞后分別做平拋運動時,由于被碰小球B的速度大,會先打到豎直墻上,之后會被墻壁反彈,由于豎直方向上兩球運動基本同步,因此B反彈后的運動過程中有非常大的可能與入射小球A再次相碰.

[解析](1)為使小球離開斜槽后做平拋運動,安裝軌道時,軌道末端必須水平,故A正確;小球離開斜槽后做平拋運動,由于拋出點高度相等,所以小球做平拋運動的時間相等,小球的水平位移與初速度成正比,可以用水平位移代替其初速度,實驗不需要測量小球的運動時間,不需要測出斜槽末端距地面的高度,故B錯誤;為了防止入射球反彈,應使入射球的質量大于被碰球的質量,故C錯誤;本實驗不需要測量時間,不需要停表,故D錯誤;未放B球時,A球落點的平均位置是P點,故E正確.(2)碰撞過程中,如果動量守恒,則有m1v1=m1v'1+m2v2,小球做平拋運動時拋出點的高度相等,它們在空中運動的時間t相等,有m1v1t=m1v'1t+m2v2t,即m1x2=m1x1+m2x3.(3)①在平拋運動過程中,水平方向上有x=vt,豎直方向上有y=12gt2,聯(lián)立得v2=gx22