- 296.50 KB
- 2021-05-22 发布
- 1、本文档由用户上传,淘文库整理发布,可阅读全部内容。
- 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,请立即联系网站客服。
- 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细阅读内容确认后进行付费下载。
- 网站客服QQ:403074932
专题28 验证动量守恒定律
1.会用实验装置测速度或用其他物理量表示物体的速度大小.
2.验证在系统不受外力的作用下,系统内物体相互作用时总动量守恒.
一、实验目的
验证动量守恒定律。
二、实验原理
在一维碰撞中,测出物体的质量m和碰撞前后物体的速度v、v′,找出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p′=m1v1′+m2v2′,看碰撞前后动量是否守恒。
三、实验器材
方案一: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、橡皮泥等。
方案二:带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。
方案三:光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥。
方案四:斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等。
实验步骤
方案一:利用气垫导轨完成一维碰撞实验(如图所示)
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。
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。
方案二:利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验(如图所示)
1.测质量:用天平测出两小球的质量m1、m2。
2.安装:把两个等大小球用等长悬线悬挂起来。
3.实验:一个小球静止,拉起另一个小球,放下时它们相碰。
4.测速度:可以测量小球被拉起的角度,从而算出碰撞前对应小球的速度,测量碰撞后小球摆起的角度,算出碰撞后对应小球的速度。
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。
方案三:在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验(如图所示)
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B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v=算出速度。
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。
方案四:利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律(如图所示)
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4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.结束:整理好实验器材放回原处。
四、数据处理
1.速度的测量
方案一: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。
方案二:摆球速度的测量:v=,式中h为小球释放时(或碰撞后摆起的)高度,h可用刻度尺测量(也可由量角器和摆长计算出)。
方案三: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,Δ
t为小车经过Δx的时间,可由打点间隔算出。
2.验证的表达式
方案一、二、三:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。
方案四:m1·OP=m1·OM+m2·ON
★重点归纳★
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实验,调整气垫导轨时,注意利用水平仪确保导轨水平。
(2)若利用摆球进行实验,两小球静放时球心应在同一水平线上,且刚好接触,摆线竖直,将小球拉起后,两条摆线应在同一竖直面内。
(3)若利用长木板进行实验,可在长木板下垫一小木片用以平衡摩擦力。
(4)若利用斜槽小球碰撞应注意:
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。
★典型案例★某小组用如图所示的装置验证动量守恒定律.装置固定在水平面上,圆弧形轨道下端切线水平.两球半径相同,两球与水平面的动摩擦因数相同.实验时,先测出A、B两球的质量,让球A多次从圆弧形轨道上某一位置由静止释放,记下其在水平面上滑行距离的平均值,然后把球B静置于轨道下端水平部分,并将A从轨道上同一位置由静止释放,并与B相碰,重复多次.
①为确保实验中球A不反向运动,则应满足的关系是________________;
②写出实验中还需要测量的物理量及符号:____________;
③若碰撞前后动量守恒,写出动量守恒的表达式:______________;
④取,且A、B间为完全弹性碰撞,则B球滑行的距离为___________.
【答案】①mA>mB;②需要测量碰撞后A、B球在水平面滑行的距离:xA、xB.
③④
-μmAgxA=0-mAvA2,,
-μmBgxB=0-mBvB2,,
如果碰撞过程动量守恒,则:mAv0=mAvA+mBvB,
即:,
整理得:,
实验需要测量碰撞后A、B球在水平面滑行的距离:xA、xB.
【名师点睛】本题考查了判断两球间质量关系、求实验需要测量的量、实验需要验证表达式、球滑行的距离等问题,通过审题理解实验原理是解题的前提与关键,应用动量守恒定律与机械能守恒定律可以解题.
★针对练习1★某同学利用气垫导轨上滑块间的碰撞来寻找物体相互作用过程中的“不变量”,实验装置如图所示,实验过程如下(“+、-”表示速度方向):
实验1 使m1=m2=0.25 kg,让运动的m1碰静止的m2,碰后两个滑块分开.数据如表1.
表1
碰前
碰后
滑块m1
滑块m2
滑块m1
滑块m2
速度v/(m·s-1)
+0.110
0
0
+0.108
根据这个实验可推知,在实验误差允许的范围内:
(1)碰前物体的速度________(填“等于”或“不等于”)碰后物体的速度;
(2)碰前物体的动能________(填“等于”或“不等于”)碰后物体的动能;
(3)碰前物体的质量m与速度v的乘积mv________(填“等于”或“不等于”)碰后物体的质量m与速度v的乘积mv.
实验2 使m1=m2=0.25 kg,让运动的m1碰静止的m2,碰后m1、m2一起运动.数据如表2.
表2
碰前
碰后
滑块m1
滑块m2
滑块m1
滑块m2
速度v/(m·s-1)
+0.140
0
+0.069
+0.069
根据这个实验可推知
(1)碰前物体的速度________(填“等于”或“不等于”)碰后物体速度的矢量和;
(2)碰前物体的动能________(填“等于”或“不等于”)碰后物体动能的和;
(3)碰前物体的质量m与速度v的乘积mv________(填“等于”或“不等于”)碰后物体的质量m与速度v的乘积mv的矢量和.
实验3 使2m1=m2=0.5 kg,让运动的m1碰静止的m2,碰后m1、m2分开.数据如表3.
表3
碰前
碰后
滑块m1
滑块m2
滑块m1
滑块m2
速度v/(m·s-1)
+0.120
0
-0.024
+0.070
根据实验数据可推知,在误差允许范围内:
(1)碰前物体的速度________(填“等于”或“不等于”)碰后物体速度的矢量和;
(2)碰前物体的动能________(填“等于”或“不等于”)碰后物体动能的和;
(3)碰前物体的质量m与速度v的乘积mv________(填“等于”或“不等于”)碰后物体的质量m与速度v的乘积mv的矢量和.
还进行了其他情景的实验,最终在实验中发现的“不变量”是________.
(4)在“探究碰撞中的不变量”实验中,关于实验结论的说明,正确的是________.
A.只需找到一种情景的“不变量”即可,结论对其他情景也同样适用
B.只找到一种情景的“不变量”还不够,其他情景未必适用
C.实验中要寻找的“不变量”必须在各种碰撞情况下都不改变
D.进行有限次实验找到的“不变量”,具有偶然性,结论还需要检验
【答案】(1)等于 等于 等于
(2)等于 不等于 等于
(3)不等于 不等于 等于 质量和速度的乘积
(4)BCD
mv=0.25×0.140 kg·m/s=0.035 kg·m/s
碰后物体的质量m与速度v的乘积
mv=0.25×0.069×2 kg·m/s=0.034 5 kg·m/s,
在误差允许的范围内相等.
碰前的动能为:
Ek1=×0.25×0.1402 J=0.002 45 J.
碰后的动能Ek2=×0.25×0.0692+×0.25×0.0692 J=0.001 19 J
在误差允许的范围内动能不相等.
(4)在“探究碰撞中的不变量”实验中,只找到一种情景的“不变量”还不够,其他情景未必适用,必须在各种碰撞的情况下都不改变,有限次实验偶然性较大,得出的结论需要检验,故B、C、D正确,A错误,故选B、C、D.
★针对练习2★A、B两滑块在同一光滑的水平直导轨上相向运动发生碰撞(碰撞时间极短).用闪光照相,闪光4次摄得的闪光照片如图所示.已知闪光的时间间隔为Δt,而闪光本身持续时间极短,在这4次闪光的瞬间,A、B两滑块均在0~80 cm刻度范围内,且第一次闪光时,滑块A恰好通过x=55 cm处,滑块B恰好通过x=70 cm处,问:
(1)碰撞发生在何处?
(2)碰撞发生在第一次闪光后多长时间?
(3)设两滑块的质量之比为mA∶mB=2∶3,试分析碰撞前后两滑块的质量与速度乘积之和是否相等?
【答案】(1)60 cm (2) (3)碰撞前后两滑块的质量与速度乘积之和相等