实验：验证动量守恒定律
【教学目标】
1．掌握动量守恒定律适用范围。 2．会用实验验证动量守恒定律。
【教学重难点】
会用实验验证动量守恒定律。
【教学过程】
一、实验思路
教师：两个物体在发生碰撞时，作用时间很短。根据动量定理，它们的相互作用力很大。如果把这两个物体看作一个系统，那么，虽然物体还受到重力、支持力、摩擦力、空气阻力等外力的作用，但是有些力的矢量和为0，有些力与系统内两物体的相互作用力相比很小。因此，在可以忽略这些外力的情况下，碰撞满足动量守恒定律的条件。
问题：我们应该怎样设计实验，使两个碰撞的物体所组成的系统所受外力的矢量和近似为0？
学生思考，教师总结。
我们研究最简单的情况：两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿这条直线运动。应该尽量创造实验条件，使系统所受外力的矢量和近似为0。 二、物理量的测量
研究对象确定后，还需要明确所需测量的物理量和实验器材。 问题：想要验证动量守恒定律，需要测量哪些物理量？ 学生思考，教师总结：
根据动量的定义，很自然地想到，需要测量物体的质量，以及两个物体发生碰撞前后各自的速度。
教师：那么物体的质量我们可以直接用天平测量，物体碰撞前后的速度呢？ 学生回忆之前我们学习了哪些测量物体速度的方法。最后教师总结可行的方法进行实验的设计。
（一）方案一：研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
本案例中，我们利用气垫导轨来减小摩擦力，利用光电计时器测量滑块碰撞前后的速度。实验装置如图所示，可以通过在滑块上添加已知质量的物块来改变碰撞物体的质量。
本实验可以研究以下几种情况：
①选取两个质量不同的滑块，在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架，滑块碰撞后随即分开。
②在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥，碰撞时撞针插入橡皮泥中，使两个滑块连成一体运动。如果在两个滑块的碰撞端分别贴上尼龙拉扣，碰撞时它们也会连成一体。
③原来连在一起的两个物体，由于相互之间具有排斥的力而分开，这也可视为一种碰撞。这种情况可以通过下面的方式实现。
在两个滑块间放置轻质弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，并用一根细线将两个滑块固定。烧断细线，弹簧弹开后落下，两个滑块由静止向相反方向运动。
1．实验步骤：
（1）测质量：用天平测出滑块的质量。 （2）安装：正确安装好气垫导轨。
（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改变滑块的质量；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。 2．数据处理
（1）滑块速度的测量：v＝Δx/Δt，式中Δx为滑块挡光片的宽度（仪器说明书上给出，也可直接测量），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＝m1v1′＋m2v2′
（二）方案二：利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律
1．实验步骤：
（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：按照图甲所示安装实验装置，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F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和被撞小球落点的平均位置N，如图所示。
（6）验证：连接N，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。
（7）结束：整理好实验器材放回原处。
2．数据处理：
验证的表达式：m1·OP=m1·OM+m2·ON
（三）方案三：在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验 1．实验器材
光滑长木板、打点计时器、纸带、小车（两个）、天平、撞针、橡皮泥。
2．实验步骤
（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。
（3）实验：接通电源，让小车A运动，小车五静止，两车碰撞时撞针插入橡皮泥中，把两小车连接成一体运动。
（4）测速度：通过纸带上两计数点间的距离及时间由??=（5）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。 3．数据处理
（1）小车速度的测量：??=
??????
??????
算出速度。
，式中???是纸带上两计数点间的距离，可用刻度尺
测量，???为小车经过???的时间，可由打点间隔算出。
（2）验证的表达式：m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′ 4．注意事项
（1）前提条件：碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。
（2）若利用“气垫导轨”完成实验，调整气垫导轨时，注意利用水平仪确保导轨水平。
若用“斜槽”完成实验，斜槽末端的切线必须水平，入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放。
5．误差分析
（1）系统误差：主要来源于装置本身是否符合要求，即：
①碰撞是否为一维碰撞。
②实验是否满足动量守恒的条件：如气垫导轨是否水平，两球是否等大。 （2）偶然误差：主要来源于质量m和速度v的测量。 （3）改进措施：
①设计方案时应保证碰撞为一维碰撞，且尽量满足动量守恒的条件。 ②采取多次测量求平均值的方法减小偶然误差。
【课堂练习】
1．（2017·江西模拟）利用频闪照相和气垫导轨做“探究碰撞中的不变量”的实验，步骤如下：
①用天平测出滑块A、B的质量分别为200g和300g； ②安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平； ③向气垫导轨通入压缩空气；
④把A、B两滑块放到导轨上，并给它们一个初速度，同时开始闪光照相，闪光的时间间隔设定为Δt＝0.2s，照片如图所示。
结合实验过程和图象分析知：该图象是闪光4次摄得的照片，在这4次闪光的瞬间，A、B两滑块均在0～80cm刻度范围内；第一次闪光时，滑块A恰好通过x＝55cm处，滑块B恰好通过x＝70cm处；碰撞后有一个滑块处于静止状态。设向右为正方向，试分析：滑块碰撞时间发生在第一次闪光后____s，碰撞前两滑块的质量与速度乘积之和为____kg·m/s，碰撞后两滑块的质量与速度乘积之和为____kg·m/s。
答案：0.1；－0.2；－0.2
2．（2017·湖北黄冈中学期中）某同学用图甲所示装置通过半径相同的a、b两球的
新教材高中物理人教版(2019)选择性必修 第一册-1.4 实验：验证动量守恒定律-教案
