高二物理选修一动量守恒定律(统编人教高中物理选修一4)
高二物理选修一动量守恒定律(统编人教高中物理选修一4)教师:两个物体在发生碰撞时,作https://www.renjiaoshe.com/jiaocai/2061.html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。一、实验思路【教学重难点】会用实验验证动量守恒定律。【教学过程】
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https://www.shimengyuan.com/nianji/2411.html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https://www.renjiaoshe.com/jiaocai/2061.html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
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。
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两球的碰撞来验证动量守恒定律。图中PQ是斜槽,QR为水平槽。在记录纸上记下重垂线所指的位置O。实验时先使a球从斜槽上某一固定位置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,确定小球a的落点平均位置B。再把b球放在水平槽末端R,让a球仍从固定位置G由静止开始滚下,与b球碰撞后,落到水平地面的记录纸上,重复10次,得到两球的落点平均位置分别为A和C,其中b球落点痕迹如图乙所示。米尺水平放置,零点与O点对齐。
(1)碰撞后b球的水平射程应取为____cm。
(2)在以下选项中,哪些是本次实验必须进行的测量?
答:____(填选项序号)。
A.水平槽上未放b球时,测量a球落点位置到O点的距离x1
B.a球与b球碰撞后,分别测量a球和b球的落点位置到O点的距离x2、x3
C.测量a球或b球的直径d
D.测量a球和b球的质量ma、mb(或两球质量之比)
E.测量G点相对于水平槽面的高度H
(3)按照本实验方法,已知a球的质量为ma,b球的质量为mb,ma>mb,那么动量守恒定律的验证式为____(用实验中所测物理量相应字母表示)。
答案:(1)64.5(64.2~64.8均可);(2)ABD;(3)max1=max2+mbx3
3.(2017·湖南师大附中模拟)如图所示是用来验证动量守恒定律的实验装置,弹性球1用细线悬挂于O点,O点正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接触且两球等高。将球1拉至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向左最远可摆至B点,与球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。现已测出弹性球1和2的质量m1、m2(m1>m2),A点离水平桌面的距离为a,B点离水平桌面的距离为b。此外:
(1)还需要测量的量是______________________、_____________和____________。
(2)根据测量的数据,该实验中动量守恒定律的表达式为______________________。
4.(2017·山东泰安一模)如图所示,用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律,即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。
(1)实验必须满足的条件是_________(填选项的符号)。
A.斜槽轨道必须是光滑的
B.斜槽轨道末端的切线是水平的
C.入射小球每次都要从同一高度由静止滚下
D.若入射小球的质量为m1,被碰小球的质量为m2,则m1>m2
(3)若两球碰撞前后的动量守恒,则满足的表达式为____________________(用(2)中测量的量表示)。