2018版浙江省高考物理教师文档讲义：第十二章实验十九-探究碰撞中的不变量(选考)（6页） 6页

实验十九　探究碰撞中的不变量(选考)‎ ‎[考纲解读]　(1)尝试设计实验方案，知道实验需要测量的物理量和所需器材。(2)根据不同的实验方案设计实验记录表，收集并正确记录数据。(3)分析实验数据，得出实验结论。‎ 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。‎ 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，放下后它们相碰。‎ ‎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。‎ 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，Δt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′。‎ 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，两小球静止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。‎ ‎3．探究结论 寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变。‎ 考点一　实验原理及实验操作 ‎1．在用气垫导轨进行实验时，不需要测量的物理量是(　　)‎ A．滑块的质量 B．挡光的时间 C．挡光片的宽度 D．光电门的高度 解析　从实验原理出发进行分析，A、B、C三个选项都是必须要测量的物理量。‎ 答案　D ‎2．(多选)在利用打点计时器探究碰撞中的不变量的实验中，下列操作正确的是(　　)‎ A．相互作用在两车上，一个装上撞针，一个装上橡皮泥，是为了改变两车的质量 B．相互作用的两车上，一个装上撞针，一个装上橡皮泥，是为了使两车碰撞后粘在一起 C．先接通打点计时器的电源，再释放拖动纸带的小车 D．先释放拖动纸带的小车，再接通打点计时器的电源 解析　‎ 改变小车的质量可以加砝码，装上撞针和橡皮泥，这样做是为了使两车碰撞后粘在一起，有共同的速度，选项A错误，B正确；打点计时器的使用原则是先接通电源，再释放纸带，选项C正确，D错误。‎ 答案　BC ‎3．用如图所示的装置也可以完成“探究碰撞中的不变量”实验。‎ ‎(1)若实验中选取的A、B两球半径相同，为了使A、B发生一维碰撞，应使两球悬线长度　　　　，悬点O1、O2之间的距离等于　　　　。‎ ‎(2)若A、B两球的半径不相同，利用本装置能否完成实验？如果你认为能完成，请说明如何调节？‎ 解析　(1)为了保证一维碰撞，碰撞点应与两球同在一条水平线上，故两球悬线长度相等，O1、O2之间距离等于球的直径。‎ ‎(2)如果两球的半径不相等，也可完成实验。调整装置时，应使O1、O2之间距离等于两球的半径之和，两球静止时，球心在同一水平高度上。‎ 答案　(1)相等　球的直径　(2)见解析 考点二　数据处理及误差分析 ‎1．(多选)在利用气垫导轨探究碰撞中的不变量实验中，可导致实验误差的因素是(　　)‎ A．导轨安放不水平 B．小车上挡光板倾斜 C．两小车质量不相等 D．两小车碰后连在一起 解析　选项A中，导轨不水平，小车速度将受重力分力的影响，从而导致实验误差；选项B中，挡光板倾斜会导致挡光板宽度不等于挡光阶段小车通过的位移，使计算速度出现误差，而C、D中对探究不会造成误差。‎ 答案　AB ‎2．(2015·吉林松原高三检测)某同学设计了一个用电磁打点计时器验证动量守恒定律的实验：在小车A的前端粘有橡皮泥，推动小车A使之做匀速直线运动，然后与原来静止在前方的小车B 相碰并粘合成一体，继续做匀速直线运动。他设计的装置如图甲所示。在小车A后连着纸带，电磁打点计时器所用电源频率为50 Hz，长木板下垫着薄木片以平衡摩擦力。‎ ‎(1)若已测得打点纸带如图乙所示，并测得各计数点间距(标在图上)，则应选　　　　段来计算A碰前的速度。应选　　　　段来计算A和B碰后的共同速度(选填“AB”或“BC”或“CD”或“DE”)。‎ ‎(2)已测得小车A的质量mA＝0.4 kg，小车B的质量为mB＝0.2 kg。由以上测量结果可得：碰前mAvA＝　　　　kg·m/s；碰后(mA＋mB)v共＝　　　　kg·m/s。由此得出的结论是____________________________________________________。‎ ‎(本题计算结果均保留三位有效数字)‎ 解析　(1)小车碰前做匀速直线运动，打出纸带上的点应该是间距均匀的，故计算小车碰前的速度应选BC段。CD段上所打的点由稀变密，可见在CD段A、B两小车相互碰撞。A、B碰撞后一起做匀速直线运动，所以打出的点又是间距均匀的，故应选DE段计算碰后的速度。‎ ‎(2)碰撞前：vA＝＝ m/s＝1.050 m/s，‎ 碰撞后：vA′＝vB′＝v共＝＝ m/s＝0.695 m/s。‎ 碰撞前：mAvA＝0.4×1.05 kg·m/s＝0.420 kg·m/s 碰撞后：(mA＋mB)v共＝0.60×0.695 kg·m/s＝0.417 kg·m/s 由于0.420≈0.417‎ 由此得出的结论是：在误差允许的范围内，一维碰撞过程中，两物体的速度与质量的乘积的和保持不变。‎ 答案　(1)BC　DE　(2)0.420　0.417　结论见解析