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- 2021-05-26 发布
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实验七 验证动量守恒定律
方案一:利用气垫导轨完成一维碰撞实验(如图1所示)
图1
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2所示)
图2
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3所示)
图3
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4所示)
图4
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5所示。
图5
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。
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等。
(2)偶然误差:主要来源于质量m和速度v的测量。
实验注意事项
(1)碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。
(2)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。
(3)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平面内。
(4)若利用长木板进行实验,可在长木板下垫一个小木片以平衡摩擦力。
(5)若利用斜槽进行实验,入射球质量m1要大于被碰球质量m2,即m1>m2,防止碰后m1被反弹,且两球半径r1=r2=r。
热点一 实验原理与实验操作
1.(多选)如图6在利用悬线悬挂等大小球进行验证动量守恒定律的实验中,下列说法正确的是( )
图6
A.悬挂两球的线长度要适当,且等长
B.由静止释放小球以便较准确地计算小球碰前的速度
C.两小球必须都是刚性球,且质量相同
D.两小球碰后可以粘合在一起共同运动
解析 两线等长能保证两球正碰,以减小实验误差,所以A正确;由于计算碰
撞前速度时用到了mgh=mv2-0,即初速度为0,B正确;本实验中对小球的弹性性能无要求,C错误;两球正碰后,有各种运动情况,所以D正确。
答案 ABD
2.某同学用如图7所示的装置做验证动量守恒定律的实验。先将a球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压痕,重复10次;再把同样大小的b球放在斜槽轨道末水平段的最右端上,让a球仍从固定点由静止开始滚下,和b球相碰后,两球分别落在记录纸的不同位置处,重复10次。
图7
(1)本实验必须测量的物理量有__________。
A.斜槽轨道末端距水平地面的高度H
B.小球a、b的质量ma、mb
C.小球a、b的半径r
D.小球a、b离开斜槽轨道末端后平抛飞行的时间t
E.记录纸上O点到A、B、C各点的距离、、
F.a球的固定释放点到斜槽轨道末端水平部分间的高度差h
(2)放上被碰小球b,两球(ma>mb)相碰后,小球a、b的落地点依次是图中水平面上的________点和________点。
(3)某同学在做实验时,测量了过程中的各个物理量,利用上述数据验证碰撞中的动量守恒,那么判断的依据是看__________和__________在误差允许范围内是否相等。
解析 (1)B点是不发生碰撞时a球的落地点,A点是发生碰撞后a球的落地点,C点是碰后b球的落地点。设小球a运动到轨道末端时的速度大小为vB,与球b发生碰撞后的瞬时速度大小为vA,碰后b球的速度大小为vC,本实验就是要验证关系式mavB=mavA+mbvC是否成立。因为小球做平抛运动的高度相同,下落时间相同,它们在水平方向上位移与水平方向上的速度成正比,所以本实验也可
以验证ma·=ma·+mb·是否成立,B、E正确。
(2)两球碰撞后,a球在水平方向上的分速度较小,下落时间相同时,落地时的水平位移也较小,所以小球a、b的落地点依次是图中水平面上的A点和C点。
(3)根据(1)的分析,判断两球碰撞过程中的动量是否守恒的依据是看ma·和ma·+mb·在误差允许范围内是否相等。
答案 (1)BE (2)A C
(3)ma· ma·+mb·
热点二 数据处理及分析
3.[2014·全国卷Ⅱ,35(2)]现利用图8(a)所示的装置验证动量守恒定律。在图(a)中,气垫导轨上有A、B两个滑块,滑块A右侧带有一弹簧片,左侧与打点计时器(图中未画出)的纸带相连;滑块B左侧也带有一弹簧片,上面固定一遮光片,光电计时器(未完全画出)可以记录遮光片通过光电门的时间。
(a)
(b)
图8
实验测得滑块A的质量m1=0.310 kg,滑块B的质量m2=0.108 kg,遮光片的宽度d=1.00 cm;打点计时器所用交流电的频率f=50.0 Hz。
将光电门固定在滑块B的右侧,启动打点计时器,给滑块A一向右的初速度,使它与B相碰。碰后光电计时器显示的时间为ΔtB=3.500 ms,碰撞前后打出的纸带如图(b)所示。
若实验允许的相对误差绝对值(||×100%)最大为5%,本实验是否在误差范围内验证了动量守恒定律?写出运算过程。
解析 按定义,物体运动的瞬时速度大小为v:v=①
式中Δs为物块在很短时间Δt内走过的路程,设纸带上打出相邻两点的时间间隔为ΔtA,则
ΔtA==0.02 s②
ΔtA可视为很短,设在A碰撞前后瞬时速度大小分别为v0、v1,将②式和图给实验数据代入①式可得:
v0= m/s=2.00 m/s③
v1= m/s=0.970 m/s④
设B在碰撞后的速度大小为v2,由①式有
v2=⑤
代入题所给的数据可得:v2=2.86 m/s⑥
设两滑块在碰撞前后的动量分别为p和p′,则
p=m1v0⑦
p′=m1v1+m2v2⑧
两滑块在碰撞前后总动量相对误差的绝对值为
δp=||×100%⑨
联立③④⑥⑦⑧⑨式并代入有关数据,
可得:δp≈1.7%<5%⑩
因此,本实验在允许的误差范围内验证了动量守恒定律。
答案 见解析
热点三 实验拓展与创新
4.如图9是用来验证动量守恒的实验装置,弹性球1用细线悬挂于O点,O点下方桌子的边缘有一竖直立柱。实验时,调节悬点,使弹性球1静止时恰与立柱上的球2右端接触且两球等高。将球1拉到A点,并使之静止,同时把球2放在立柱上,释放球1,当它摆到悬点正下方时与球2发生对心碰撞,碰后球1向左最远可摆到B点,球2落到水平地面上的C点.测出有关数据即可验证1、2两球碰撞时动量守恒。现已测出A点离水平桌面的距离为a、B点离水平桌面的距离为b、C点与桌子边沿间的水平距离为c。此外:
图9
(1)还需要测量的量是__________、__________和__________。
(2)根据测量的数据,该实验中动量守恒的表达式为__________。(忽略小球的大小)
解析 (1)要验证动量守恒必须知道两球碰撞前后的动量变化,根据弹性球1碰撞前后的高度a和b,由机械能守恒可以求出碰撞前后的速度,故只要再测量弹性球1的质量m1,就能求出弹性球1的动量变化;根据平抛运动的规律只要测出立柱高h和桌面离水平地面的高度H就可以求出弹性球2碰撞前后的速度变化,故只要测量弹性球2的质量和立柱高A、桌面离水平地面的高度H就能求出弹性球2的动量变化。
(2)根据(1)的解析可以写出动量守恒的方程
2m1=2m1+m2。
答案 (1)弹性球1、2的质量m1、m2 立柱高h 桌面离水平地面的高度H
(2)2m1=2m1+m2
1.气垫导轨是常用的一种实验仪器,它是利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫,使滑块悬浮在导轨上,滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦,我们可以用带竖直挡板C和D的气垫导轨和滑块A和B验证动量守恒定律,实验装置如图10所示,采用的实验步骤如下:
图10
a.松开手的同时,记录滑块A、B运动时间的计时器开始工作,当A、B滑块分别碰到C、D挡板时计时器结束计时,分别记下A、B到达C、D的运动时间t1和t2。
b.在A、B间水平放入一个轻弹簧,用手压住A、B使弹簧压缩,放置在气垫导轨上,并让它静止在某个位置。
c.给导轨送气,调整气垫导轨,使导轨处于水平。
d.用刻度尺测出A的左端至C板的距离l1,B的右端至D板的距离l2。
(1)实验步骤的正确顺序是__________。
(2)实验中还需要的测量仪器是__________,还需要测量的物理量是__________。
(3)利用上述测量的实验数据,验证动量守恒定律的表达式是__________。
解析 (2)还需用天平测滑块的质量。
(3)两滑块脱离弹簧的速度为v1=,v2=,
由动量守恒得m1v1=m2v2即m1=m2。
答案 (1)cbda
(2)天平 A、B两滑块的质量m1、m2
(3)m1=m2
2.用如图11甲所示装置通过半径相同的A、B两球碰撞来验证动量守恒定律,实验时先使质量为mA的A球从斜槽上某一固定点G由静止开始滚下,落到位于水平地面的记录纸上,留下痕迹,重复上述操作10次,得到10个落点痕迹,把质量为mB的B球放在水平槽上靠近槽末端的地方,让A球仍从位置G由静止开始滚下,和B球碰撞后,A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹,重复这种操作10次,得到了如图乙所示的三个落地处。
图11
(1)请在图乙中读出OP=__________ cm。
(2)由乙图可以判断出R是__________球的落地点,Q是__________球的落地点。
(3)为了验证碰撞前后动量守恒,该同学只需验证表达式______________________。
解析 (1)由图可知OP约为17.5 cm,(2)Q是A球碰前的落点,P是A
球碰后的落点,R是B球的落点。(3)因为各球的运动时间相等,因此碰后的速度可以用水平位移来代替,需要验证的表达式为mAOQ=mAOP+mBOR。
答案 (1)17.5 (2)B A (3)mAOQ=mAOP+mBOR
3.如图12甲所示,是气垫导轨上的两个滑块的照片,中间是滑块A,质量mA=0.20 kg,右边是滑块B,质量mB=0.30 kg。乙图是滑块B向左运动中与滑块A碰后合为一体的照片,频闪照片的频率f=10 Hz。
(1)根据照片提供的信息,碰前的动量为______kg·m/s,碰后的动量为__________kg·m/s。
图12
(2)实验结论:___________________________________________________。
解析 题图为利用多次闪光放电管拍摄的多重照片,即频闪照片。这种照片可以捕捉住质点各瞬间的位置,从而研究质点的运动规律.频闪照片频率为10 Hz,即相邻两位置的发生时间为0.1 s。从图中读出碰前A质点的位置不变,则A静止;B质点在相等时间内的位移为1.6 cm,B碰前的速度应为v0= m/s=0.16 m/s,所以B碰前的动量为pB=mv0=0.16×0.30 kg·m/s=0.048 kg·m/s。碰撞后两质点具有共同速度,相等时间内的位移为1.0 cm,则碰后速度v共= m/s=0.10 m/s
碰后的动量
p=(mA+mB)v共=(0.20+0.30)×0.10 kg·m/s
=0.050 kg·m/s
实验表明:在误差允许的范围内,碰撞前后动量相等,在碰撞过程中动量守恒。
答案 (1)0.048 0.050 (2)在误差允许的范围内,碰撞前后动量相等。