实验七 验证动量守恒定律
[学生用书P127]
一、实验目的
验证一维碰撞中的动量守恒定律. 二、实验原理
在一维碰撞中,测出相碰的两物体的质量m1、m2和碰撞前、后物体的速度v1、v2、v′1、v′2,算出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p′=m1v′1+m2v′2,看碰撞前、后动量是否相等.
三、实验器材
方案一:利用气垫导轨完成一维碰撞实验
气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥.
方案二:利用长木板上两车碰撞完成一维碰撞实验
光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥. 方案三:利用斜槽滚球完成一维碰撞实验 斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等. 四、实验过程
方案一:利用气垫导轨完成一维碰撞实验 1.测质量:用天平测出滑块质量. 2.安装:正确安装好气垫导轨,如图所示.
3.实验:接通电源,利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度(①改变滑块质量;②改变滑块的初速度大小和方向).
4.验证:一维碰撞中的动量守恒.
方案二:利用长木板上两车碰撞完成一维碰撞实验 1.测质量:用天平测出两小车的质量.
2.安装:将打点计时器固定在光滑长木板的一端,把纸带穿过打点计时器,连在小车的后面,在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥,如图所示.
3.实验:接通电源,让小车A运动,小车B静止,两车碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两小车连接成一个整体运动.
Δx
4.测速度:通过纸带上两计数点间的距离及时间,由v=算出速度.
Δt5.改变条件:改变碰撞条件,重复实验. 6.验证:一维碰撞中的动量守恒. 方案三:利用斜槽滚球完成一维碰撞实验
1.测质量:用天平测出两小球的质量,并选定质量大的小球为入射小球. 2.安装:按照如图所示安装实验装置.调整固定斜槽使斜槽底端水平.
3.铺纸:白纸在下,复写纸在上且在适当位置铺放好.记下重垂线所指的位置O. 4.放球找点:不放被撞小球,每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下,重复10次.用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面.圆心P就是小球落点的平均位置.
5.碰撞找点:把被撞小球放在斜槽末端,每次让入射小球从斜槽同一高度自由滚下,使它们发生碰撞,重复实验10次.用步骤4的方法,标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N.如图所示.
6.验证:连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度.将测量数据填入表中.最后代入m1·OP=m1·OM+m2·ON,看在误差允许的范围内是否成立.
7.整理:将实验器材放回原处. 五、数据处理
方案一:利用气垫导轨完成一维碰撞实验
Δx
1.滑块速度的测量:v=,式中Δx为滑块挡光片的宽度(仪器说明书上给出,也可
Δt直接测量),Δt为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间.
2.验证的表达式:m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2. 方案二:利用长木板上两车碰撞完成一维碰撞实验
Δx
1.小车速度的测量:v=,式中Δx是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量,
ΔtΔt为小车经过Δx的时间,可由打点间隔算出.
2.验证的表达式:m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2.
方案三:利用斜槽滚球完成一维碰撞实验 验证的表达式:m1·OP=m1·OM+m2·ON. 六、误差分析
1.系统误差:主要来源于装置本身是否符合要求. (1)碰撞是否为一维.
(2)实验是否满足动量守恒的条件,如气垫导轨是否水平,用长木板实验时是否平衡掉摩擦力,两球是否等大.
2.偶然误差:主要来源于质量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的测量. 七、注意事项
1.前提条件:碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”. 2.方案提醒
(1)若利用气垫导轨进行验证,调整气垫导轨时,应注意利用水平仪确保导轨水平. (2)若利用两小车相碰进行验证,要注意平衡摩擦力. (3)若利用平抛运动规律进行验证: ①斜槽末端的切线必须水平;
②入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放; ③选质量较大的小球作为入射小球;
④实验过程中实验桌、斜槽、记录的白纸的位置要始终保持不变. 3.探究结论:寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不变.
实验原理和实验操作[学生用书P128]
【典题例析】
在实验室里为了验证动量守恒定律,一般采用如图甲、乙所示的两种装置:
(1)若入射小球质量为m1,半径为r1;被碰小球质量为m2,半径为r2,则________. A.m1>m2,r1>r2 C.m1>m2,r1=r2
B.m1>m2,r1 (2)若采用图乙所示装置进行实验,以下所提供的测量工具中一定需要的是________. A.直尺 B.游标卡尺 C.天平 D.弹簧测力计 E.秒表 (3)设入射小球的质量为m1,被碰小球的质量为m2,则在用图甲所示装置进行实验时(P为碰前入射小球落点的平均位置),所得“验证动量守恒定律”的结论为____________________.(用装置图中的字母表示) [解析] (1)为防止反弹造成入射小球返回斜槽,要求入射小球质量大于被碰小球质量,即m1>m2;为使入射小球与被碰小球发生对心碰撞,要求两小球半径相同.故C正确. (2)设入射小球为a,被碰小球为b,a球碰前的速度为v1,a、b相碰后的速度分别为v′1、v′2.由于两球都从同一高度做平抛运动,当以运动时间为一个计时单位时,可以用它们平抛的水平位移表示碰撞前后的速度.因此,需验证的动量守恒关系m1v1=m1v′1+m2v′2可表示为m1x1=m1x′1+m2x′2.所以需要直尺、天平,而无需弹簧测力计、秒表.由于题中两个小球都可认为是从槽口开始做平抛运动的,两球的半径不必测量,故无需游标卡尺. (3)得出验证动量守恒定律的结论应为 m1·OP=m1·OM+m2·O′N. [答案] (1)C (2)AC (3) m1·OP=m1·OM+m2·O′N 某同学用如图甲所示装置来验证动量守恒定律,实验时先让小球a从斜 槽轨道上某固定点处由静止开始滚下,在水平地面上的记录纸上留下痕迹,重复10次;然后再把小球b静置在斜槽轨道末端,让小球a仍从原固定点由静止开始滚下,和小球b相碰后,两球分别落在记录纸的不同位置处,重复10次.回答下列问题: (1)在安装实验器材时斜槽的末端应_________________________________. (2)小球a、b质量ma、mb的大小关系应满足ma________mb,两球的半径应满足ra________rb.(均选填“>”“<”或“=”) (3)本实验中小球平均落地点的位置距O点的距离如图乙所示,小球a、b碰后的平均落地点依次是图乙中的________点和________点. (4)在本实验中,验证动量守恒的式子是下列选项中的________. A.maOC=maOA+mbOB B.maOB=maOA+mbOC C.maOA=maOB+mbOC 解析:(1)小球离开轨道后应做平抛运动,所以在安装实验器材时斜槽的末端必须保持水平,才能使小球做平抛运动. (2)为防止在碰撞过程中入射小球被反弹,入射小球a的质量ma应该大于被碰小球b的质量mb.为保证两个小球的碰撞是对心碰撞,两个小球的半径应相等. (3)由题图甲所示装置可知,小球a和小球b相碰后,根据动量守恒和能量守恒可知小球b的速度大于小球a的速度.由此可判断碰后小球a、b的落点位置分别为A、C点. (4)小球下落高度一样,所以在空中的运动时间t相等,若碰撞过程满足动量守恒,则应有mav0=mava+mbvb,两边同乘以时间t可得mav0t=mavat+mbvbt,即有maOB=maOA+mbOC,故B正确. 答案:(1)保持水平 (2)> = (3)A C (4)B 数据处理和误差分析[学生用书P128] 【典题例析】 某同学设计了一个用打点计时器“探究碰撞中的不变量”的实验,在小车A的前 端粘有橡皮泥,设法使小车A做匀速直线运动,然后与原来静止的小车B相碰并黏在一起继续做匀速运动,如图甲所示.在小车A的后面连着纸带,电磁打点计时器的频率为50 Hz. (1)若已得到打点纸带如图乙所示,并测得各计数点间的距离.则应选图中________段来计算A碰前的速度,应选________段来计算A和B碰后的速度. (2)已测得小车A的质量mA=0.40 kg,小车B的质量mB=0.20 kg,则由以上结果可得碰前mAvA+mBvB=________kg·m/s,碰后mAv′A+mBv′B=________kg·m/s. (3)从实验数据的处理结果来看,A、B碰撞的过程中,可能哪个物理量是不变的?________________________________________________________________________. [解析] (1)因为小车A与B碰撞前、后都做匀速运动,且碰后A与B黏在一起,其共同速度比A原来的速度小.所以,应选点迹分布均匀且点距较大的BC段计算A碰前的速度,
2021版高考物理(基础版)一轮复习学案:第六章 4 实验七 验证动量守恒定律 Word版含答案
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