（江蘇專版）2020版高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十一章 實驗十 驗證動量守恒定律講義（含解析）.doc

驗證動量守恒定律實驗?zāi)康模候炞C動量守恒定律。實驗原理：在一維碰撞中，測出物體的質(zhì)量m和碰撞前后物體的速度v、v，找出碰撞前的動量pm1v1m2v2及碰撞后的動量pm1v1m2v2，看碰撞前后動量是否守恒。實驗方案方案一利用氣墊導(dǎo)軌完成一維碰撞實驗實驗器材氣墊導(dǎo)軌、光電計時器、天平、滑塊(兩個)、重物、彈簧片、細(xì)繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥、游標(biāo)卡尺等。實驗步驟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(zhì)量；改變滑塊的初速度大小和方向)。數(shù)據(jù)處理1滑塊速度的測量：v，式中x為滑塊擋光片的寬度(儀器說明書上給出，也可直接測量)，t為數(shù)字計時器顯示的滑塊(擋光片)經(jīng)過光電門的時間。2驗證的表達(dá)式：m1v1m2v2m1v1m2v2。方案二利用等長擺球完成一維碰撞實驗實驗器材帶細(xì)線的擺球(兩套，等大不等重)、鐵架臺、天平、量角器、刻度尺、游標(biāo)卡尺、膠布等。實驗步驟1測質(zhì)量和直徑：用天平測出小球的質(zhì)量m1、m2，用游標(biāo)卡尺測出小球的直徑d。2安裝：把小球用等長懸線懸掛起來，并用刻度尺測量懸線長度l。3實驗：一個小球靜止，拉起另一個小球，放下時它們相碰。4測角度：用量角器測量小球被拉起的角度和碰撞后兩小球擺起的角度。5改變條件重復(fù)實驗：改變小球被拉起的角度；改變擺長。數(shù)據(jù)處理1擺球速度的測量：v，式中h為小球釋放時(或碰撞后擺起)的高度，h可由擺角和擺長計算出。2驗證的表達(dá)式：m1v1m1v1m2v2。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、刻度尺等。實驗步驟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：小車B靜止，接通電源，讓小車A運動，碰撞時撞針插入橡皮泥中，兩小車連接成一個整體運動。4改變條件，重復(fù)實驗：改變小車A的初速度；改變兩小車的質(zhì)量。數(shù)據(jù)處理1小車速度的測量：通過紙帶上兩計數(shù)點間的距離及時間，由v計算。2驗證的表達(dá)式：m1v1(m1m2)v2。方案四利用斜槽滾球驗證動量守恒定律實驗器材斜槽、小球(兩個)、天平、復(fù)寫紙、白紙、圓規(guī)、刻度尺等。實驗步驟1測質(zhì)量：用天平測出兩小球的質(zhì)量，并選定質(zhì)量大的小球為入射小球。2安裝：按照如圖所示安裝實驗裝置。調(diào)整固定斜槽使斜槽底端水平。3鋪紙：白紙在下，復(fù)寫紙在上且在適當(dāng)位置鋪放好。記下重垂線所指的位置O。4單球找點：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自由滾下，使它們發(fā)生碰撞，重復(fù)實驗10次。用步驟4的方法，標(biāo)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。改變?nèi)肷湫∏虻尼尫鸥叨?，重?fù)實驗。數(shù)據(jù)處理1小球水平射程的測量：連接ON，測量線段OP、OM、ON的長度。2驗證的表達(dá)式：m1OPm1OMm2ON。誤差分析1系統(tǒng)誤差：主要來源于實驗器材及實驗操作等。(1)碰撞是否為一維。(2)氣墊導(dǎo)軌是否完全水平，擺球受到空氣阻力，小車受到長木板的摩擦力，入射小球的釋放高度存在差異。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。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)軌進行驗證，給滑塊的初速度應(yīng)沿著導(dǎo)軌的方向。(2)若利用擺球進行驗證，實驗前兩擺球應(yīng)剛好接觸且球心在同一水平線上，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(yīng)注意調(diào)整斜槽，使斜槽末端水平，且選質(zhì)量較大的小球為入射小球。突破點(一)實驗原理與操作例1如圖，用“碰撞實驗器”可以驗證動量守恒定律，即研究兩個小球在軌道水平部分碰撞前后的動量關(guān)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。A小球開始釋放高度hB小球拋出點距地面的高度HC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，實驗時先讓入射球m1多次從傾斜軌道上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，把被碰小球m2靜置于軌道的水平部分，再將入射球m1從斜軌上S位置靜止釋放，與小球m2相碰，并多次重復(fù)。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(zhì)量m1、m2B測量小球m1開始釋放高度hC測量拋出點距地面的高度HD分別找到m1、m2相碰后平均落地點的位置M、NE測量平拋射程OM、ON(3)若兩球相碰前后的動量守恒，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。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。即m1m1m2；而由Hgt2知，每次下落豎直高度相等，平拋時間相等。則可得m1OPm1OMm2ON。故只需測射程，因而選C。(2)由表達(dá)式知：在OP已知時，需測量m1、m2、OM和ON，故必要步驟A、D、E。(3)若為彈性碰撞，則同時滿足動能守恒。m12m12m22m1OP2m1OM2m2ON2。答案(1)C(2)ADE(3)m1OMm2ONm1OPm1OM2m2ON2m1OP2集訓(xùn)沖關(guān)1(2019泰州檢測)某同學(xué)設(shè)計了一個用打點計時器探究碰撞中的不變量的實驗：如圖1所示，在滑塊甲的前端粘有橡皮泥，推動滑塊甲使之運動，然后與原來靜止在前方的滑塊乙相碰并粘合成一體，繼續(xù)向前運動。(1)由于滑塊與長木板之間存在摩擦力會影響實驗結(jié)果。為了盡量減小實驗誤差，滿足A、B相互作用前后動量守恒，在實驗前應(yīng)進行的操作是_。(2)若已測得打點紙帶如圖2所示，并測得各計數(shù)點(每5個點取一個計數(shù)點)間距(已標(biāo)在圖上)。A為運動的起點，則應(yīng)選_段來計算甲碰前的速度，應(yīng)選_段來計算甲和乙碰后的共同速度(以上兩空選填“AB”“BC”“CD”或“DE”)。(3)已測得滑塊甲的質(zhì)量m1200 g，滑塊乙的質(zhì)量為m2100 g，則碰前兩滑塊的總動量為_kgm/s，碰后兩滑塊的總動量為_kgm/s。(均保留三位有效數(shù)字)解析：(1)系統(tǒng)所受合外力為零時系統(tǒng)動量守恒，為驗證動量守恒定律，實驗前應(yīng)進行的操作是適當(dāng)抬高長木板的右端，平衡摩擦力。(2)推動滑塊由靜止開始運動，故滑塊有個加速過程，在碰撞前做勻速直線運動，即在相同的時間內(nèi)通過的位移相同，故BC段為勻速運動的階段，故選BC段計算碰前的速度；碰撞過程是一個變速運動的過程，而甲和乙碰后共同運動時做勻速直線運動，故在相同的時間內(nèi)通過相同的位移，故應(yīng)選DE段來計算碰后共同的速度。(3)相鄰計數(shù)點間的時間間隔為：t0.025 s0.1 s，碰前滑塊的速度為：v甲1.575 m/s，碰前的總動量為：pm甲v甲0.315 kgm/s；碰后滑塊的共同速度為：v1.042 m/s，碰后的動量為：p(m甲m乙)v0.313 kgm/s。答案：(1)適當(dāng)抬高長木板的右端，平衡摩擦力(2)BCDE(3)0.3150.3132在做“驗證動量守恒定律”實驗中，裝置如圖1。(1)需要的測量儀器或工具有_。A秒表B天平C刻度尺 D重垂線E打點計時器 F圓規(guī)(2)必須要求的條件是_。A兩小球碰撞時，球心必須在同一高度上B斜槽軌道末端的切線必須水平C入射球和被碰球的質(zhì)量必須相等，且大小相同D入射球每次必須從軌道的同一位置由靜止?jié)L下(3)某次實驗中得出的落點情況如圖2所示，假設(shè)碰撞過程中動量守恒，則入射小球質(zhì)量m1和被碰小球質(zhì)量m2之比為_。(4)在做“驗證動量守恒定律”實驗中，對產(chǎn)生誤差的主要原因表述正確的是_。A碰撞前入射小球的速度方向，碰撞后兩小球的速度方向不是在同一直線上B傾斜部分軌道對入射小球的摩擦力作用C沒有測量高度，算出具體的平拋時間D測量長度的誤差解析：(1)本實驗需要天平稱量小球的質(zhì)量，需要刻度尺測量長度，需要重垂線調(diào)節(jié)軌道末端水平，需要圓規(guī)找小球的平均落點，故選B、C、D、F。(2)要保證碰撞是一維的，即保證兩小球在碰撞之前沿同一直線運動，故A正確；要保證碰撞后兩個球做平拋運動，故斜槽軌道末端的切線必須水平，故B正確；入射球質(zhì)量要大于被碰球質(zhì)量，即m1m2，防止碰后m1被反彈，故C錯誤；為保證碰撞的初速度相同，入射球每次必須從軌道的同一位置由靜止?jié)L下，故D正確。(3)根據(jù)動量守恒定律，有：m1m1m2，代入數(shù)據(jù)有：m10.255 0m10.155 0m20.380 0，解得：m1m2195。(4)要保證兩小球在碰撞之前沿同一直線運動，碰撞之后還沿這條直線運動，若碰撞前入射小球的速度方向、碰撞后兩小球的速度方向不是在同一直線上會產(chǎn)生較大的誤差，故A正確；傾斜部分軌道對入射小球有摩擦力作用，但只要入射球每次都從軌道的同一位置由靜止?jié)L下，即可保證碰撞的初速度相同，故B錯誤；小球做平拋運動的時間由高度差決定，由于高度差一定，故平拋的時間都相同，故水平射程與平拋的初速度成正比，故不需要測量高度差，只要滿足：m1m1m2，就一定有m1v1m2v2m1v1m2v2，故C錯誤；測量長度的誤差對最終動量是否守恒的驗證會有影響，故D正確。答案：(1)BCDF(2)ABD(3)195(4)AD3(2018海安期中)如圖所示為某同學(xué)應(yīng)用氣墊導(dǎo)軌“探究碰撞中的不變量”的實驗裝置。(1)實驗操作如下：a用天平分別測出滑塊1、滑塊2的質(zhì)量m1、m2；用游標(biāo)卡尺測出兩遮光片的寬度d1、d2；b調(diào)整氣墊導(dǎo)軌，使導(dǎo)軌處于水平；c在滑塊1和滑塊2間放入一個鎖定的壓縮彈簧，用細(xì)繩固定，靜止放置在氣墊導(dǎo)軌上；d剪斷細(xì)繩，讀取滑塊1、滑塊2與彈簧分離后通過光電門的時間分別為t1和t2；e利用上述測量數(shù)據(jù)，若得出關(guān)系式_成立，即可得出碰撞中守恒的量是動量的矢量和。(2)本實驗需要調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平，調(diào)節(jié)方案是_。(3)若某同學(xué)實驗前沒有調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平，重復(fù)進行了多次實驗，結(jié)果總是滑塊1的動量大于滑塊2的動量，出現(xiàn)這一結(jié)果的原因可能是導(dǎo)軌左側(cè)_(選填“高于”或“低于”)導(dǎo)軌右側(cè)。解析：(1)設(shè)向右為正方向，兩滑塊開始時的總動量為零，碰后兩滑塊均勻速經(jīng)過光電門，則根據(jù)平均速度公式可知，兩滑塊的速度大小分別為：v1，v2，則碰后的動量為m2m1，根據(jù)動量守恒定律則有：m2m10。(2)本實驗需要調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平，調(diào)節(jié)方案是接通充氣開關(guān)，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌使滑塊能靜止在導(dǎo)軌上。(3)滑塊1的動量大于滑塊2的動量，說明滑塊1一定加速，滑塊2減速，故說明左側(cè)低于右側(cè)。答案：(1)m2m10(2)接通充氣開關(guān)，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌使滑塊能靜止在導(dǎo)軌上(3)低于突破點(二)數(shù)據(jù)處理與誤差分析例2(2018黃岡檢測)某同學(xué)利用打點計時器和氣墊導(dǎo)軌做驗證動量守恒定律的實驗，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。下面是實驗的主要步驟：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；把打點計時器固定在緊靠氣墊導(dǎo)軌左端彈射架的外側(cè)，將紙帶穿過打點計時器和彈射架并固定在滑塊1的左端，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(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；已知碰后兩滑塊一起運動；先_，然后_，讓滑塊帶動紙帶一起運動；取下紙帶，重復(fù)步驟，選出較理想的紙帶如圖乙所示；測得滑塊1(包括撞針)的質(zhì)量為310 g，滑塊2(包括橡皮泥)的質(zhì)量為205 g。(1)請完善實驗步驟的內(nèi)容(填到步驟橫線上)。(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質(zhì)量與速度的乘積之和為_kgm/s；兩滑塊相互作用以后質(zhì)量與速度的乘積之和為_kgm/s。(保留三位有效數(shù)字)(3)試說明(2)問中兩結(jié)果不完全相等的主要原因是_。解析(1)使用打點計時器時應(yīng)先接通電源，后放開滑塊1。(2)作用前滑塊1的速度v1 m/s2 m/s，其質(zhì)量與速度的乘積為0.3102 kgm/s0.620 kgm/s，作用后滑塊1和滑塊2具有相同的速度v m/s1.2 m/s，其質(zhì)量與速度的乘積之和為(0.3100.205)1.2 kgm/s0.618 kgm/s。(3)相互作用前后動量減小的主要原因是紙帶與打點計時器的限位孔有摩擦。答案(1)接通打點計時器的電源放開滑塊1(2)0.6200.618(3)紙帶與打點計時器的限位孔有摩擦集訓(xùn)沖關(guān)4(2019大豐模擬)如圖為實驗室常用的氣墊導(dǎo)軌驗證動量守恒實驗的裝置。兩個帶有等寬遮光條的滑塊A和B，質(zhì)量分別為mA、mB，在A、B間用細(xì)線水平壓住一輕彈簧，將其置于氣墊導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌使其能實現(xiàn)自由靜止，燒斷細(xì)線，滑塊A、B被彈簧彈開，光電門C、D記錄下兩遮光條通過的時間分別為tA3101 s和tB2101 s，遮光條寬度d3 cm，則A和B兩滑塊碰撞后的速度大小分別是_m/s、_ m/s。若有關(guān)系式_ (用題中出現(xiàn)的物理量符號表示)成立，則說明該實驗中動量守恒。解析：設(shè)遮光條的寬度為d，兩滑塊的速度為：vA m/s0.1 m/s，vB m/s0.15 m/s；如果動量守恒，設(shè)A的方向為正方向，則應(yīng)滿足：mAvAmBvB0，即0。答案：0.10.1505在“探究碰撞中的不變量”實驗中，裝置如圖所示，兩個小球的質(zhì)量分別為mA和mB。(1)現(xiàn)有下列器材，為完成本實驗，哪些是必需的？請將這些器材前面的字母填在橫線上_。A秒表B刻度尺C天平 D圓規(guī)(2)如果碰撞中動量守恒，根據(jù)圖中各點間的距離，則下列式子可能成立的有_。A.B.C.D.解析：(1)在該實驗中需要測量小球的質(zhì)量以及小球的水平位移，需要的測量儀器是天平、刻度尺。為了準(zhǔn)確找出落點需要用到圓規(guī)；因為利用了平拋原理，故不需用到秒表，故選BCD。(2)兩球碰撞后，小球做平拋運動，由于小球拋出點的高度相等，它們在空中做平拋運動的時間t相等，小球做平拋運動的初速度：vA，vA，vB，由動量守恒定律得：mAvAmAvAmBvB，則mAmAmB，故A正確。答案：(1)BCD(2)A6.某同學(xué)利用如圖所示的裝置驗證動量守恒定律。圖中兩擺擺長相同，懸掛于同一高度，A、B兩擺球均很小，質(zhì)量之比為12。當(dāng)兩擺球均處于自由靜止?fàn)顟B(tài)時，其側(cè)面剛好接觸。向右上方拉動B球使其擺線伸直并與豎直方向成45角，然后將其由靜止釋放。結(jié)果觀察到兩擺球粘在一起擺動，且最大擺角為30。若本實驗允許的最大誤差為4%，此實驗是否成功地驗證了動量守恒定律？解析：設(shè)擺球A、B的質(zhì)量分別為mA、mB，擺長為l，B球的初始高度為h1，碰撞前B球的速度為vB。在不考慮擺線質(zhì)量的情況下，根據(jù)題意及機械能守恒定律得h1l(1cos 45)mBvmBgh1設(shè)碰撞前、后兩擺球的總動量的大小分別為p1、p2。有p1mBvB聯(lián)立得：p1mB。同理可得：p2(mAmB)。則有：。代入已知條件得：21.03由此可以推出4%所以，此實驗在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)驗證了動量守恒定律。答案：見解析