2020年物理高考大一轮复习 实验7 验证动量守恒定律课件

第六章动量守恒定律及其应用高考总复习·物理实验七验证动量守恒定律高考总复习·物理知识梳理·夯实基础核心考点·分层突破目录知识梳理·夯实基础︿︿一、实验目的验证碰撞中的动量守恒．二、实验原理在一维碰撞中，测出相碰的两物体的质量m1和m2及碰撞前、后两物体的速度v1、v2及v′1、v′2，找出碰撞前的动量p＝m1v1＋m2v2及碰撞后的动量p′＝m1v′1＋m2v′2，看碰撞前、后动量是否守恒．三、实验器材方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验气垫导轨、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．方案二：在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥．方案三：利用等大小球做平抛运动完成一维碰撞实验斜槽、大小相等质量不同的小球两个、重锤线一条、白纸、复写纸、天平、刻度尺、圆规、三角板．四、实验步骤方案一：利用气垫导轨完成一维碰撞实验(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，如图所示．(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：在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验(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，如图所示．(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＝ΔxΔt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．方案三：利用等大小球做平抛运动完成一维碰撞实验(1)先用天平测出小球质量m1、m2.(2)按如图所示安装好实验装置，将斜槽固定在桌边，使槽的末端点切线水平，调节实验装置使两小球碰时处于同一水平高度，且碰撞瞬间入射小球与被碰小球的球心连线与轨道末端的切线平行，以确保正碰后的速度方向水平．(3)在地上铺一张白纸，在白纸上铺放复写纸．(4)在白纸上记下重锤线所指的位置O，它表示入射球m1碰前的位置．(5)先不放被碰小球，让入射小球从斜槽上同一高度处滚下，重复10次，用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面，圆心就是入射小球发生碰撞前的落地点的平均位置P.(6)把被碰小球放在斜槽的末端，让入射小球从同一高度滚下，使它发生正碰，重复10次，仿上一步骤求出入射小球落地点的平均位置M和被碰小球落地点的平均位置N.(7)过O和N在纸上作一直线．(8)用刻度尺量出线段OM、OP、ON的长度．五、数据处理方案一：滑块速度的测量v＝ΔxΔt，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：小车速度的测量v＝ΔxΔt，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．方案三：把两小球的质量和相应的数值代入m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，看是否成立．六、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．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．七、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，两摆球是否等大，长木板实验是否平衡掉摩擦力．2．偶然误差主要来源于质量m和速度v的测量．核心考点·分层突破︿︿考点1数据处理【例题1】(2019·滁州定远育才学校高三入学考试)用如图甲所示装置验证动量守恒定律．实验中(1)为了尽量减小实验误差，在安装斜槽轨道时，应让斜槽末端保持水平，这样做的目的是．A．使入射球与被碰小球碰后均能从同一高度飞出B．使入射球与被碰小球碰后能同时飞出C．使入射球与被碰小球离开斜槽末端时的速度为水平方向D．使入射球与被碰小球碰撞时的动能不损失(2)若A球质量为m1＝50g，两小球发生正碰前后的位移—时间(x­t)图象如图乙所示，则小球B的质量为m2＝.(3)调节A球自由下落高度，让A球以一定速度v与静止的B球发生正碰，碰后两球动量正好相等，则A、B两球的Mm质量之比应满足．解析(1)安装斜槽轨道时，应让斜槽末端保持水平，这样做的目的是使入射球与被碰小球离开斜槽末端时的速度为水平方向，故选项C正确．(2)由图乙所示图象可知v1＝ΔxΔt＝82＝4m/s，v2＝0m/s，由图求出碰后m2和m1的速度分别为v′1＝Δx′1Δt′1＝12－84－2＝2m/s；v2′＝Δx′2Δt′2＝18－84－2＝5m/s，两物体碰撞过程系统动量守恒，以m1的初速度方向为正方向，由动量守恒定律得m1v1＝m2v2′＋m1v′1，代入解得m2＝20g.(3)设碰撞后两者的动量都为p，由题意可知，碰撞前后总动量为2p，根据动量和动能的关系有p2＝2mEk，碰撞过程动能不增加，有2p22M≥p22M＋p22m，解得Mm≤3.因为要用质量较大的球碰质量较小的球，故1Mm≤3.答案(1)C(2)20g(3)1Mm≤3【跟踪训练1】(2019·天津武清区三中高三月考)某同学设计了一个用打点计时器探究碰撞过程中不变量的实验：在小车甲的前端黏有橡皮泥，推动小车甲使之做匀速直线运动．然后与原来静止在前方的小车乙相碰并黏合成一体，而后两车继续做匀速直线运动，他设计的具体装置如图所示．在小车甲后连着纸带，打点计时器打点频率为50Hz，长木板下垫着小木片用以平衡摩擦力．若已得到打点纸带如图所示，并测得各计数点间距并标在图上，A为运动起始的第一点，则应选段计算小车甲的碰前速度，应选段来计算小车甲和乙碰后的共同速度．(以上两格填“AB”“BC”“CD”或“DE”)解析由于碰撞之后共同匀速运动的速度小于碰撞之前A独自运动的速度，故AC应在碰撞之前，DE应在碰撞之后．推动小车由静止开始运动，故小车有个加速过程，在碰撞前做匀速直线运动，即在相同的时间内通过的位移相同，故BC段为匀速运动的阶段，故选BC计算碰前的速度；碰撞过程是一个变速运动的过程，而A和B碰后的共同运动是做匀速直线运动，故在相同的时间内通过相同的位移，故应选DE段来计算碰后共同的速度．答案BCDE考点2实验原理【例题2】(2019·浙江高三选考科目联考)小明做“探究碰撞中的不变量”实验的装置如图甲所示，悬挂在O点的单摆由长为l的细线和直径为d的小球A组成，小球A与放置在光滑支撑杆上的直径相同的小球B发生对心碰撞，碰后小球A继续摆动，小球B做平抛运动．(1)小明用游标卡尺测小球A直径如图乙所示，则d＝mm.又测得了小球A质量m1，细线长度l，碰撞前小球A拉起的角度α和碰撞后小球B做平抛运动的水平位移x、竖直下落高度h.为完成实验，还需要测量的物理量有：.(2)若A、B两球碰后黏在一起形成新单摆，其周期(选填“小于”“等于”或“大于”)黏合前单摆的周期(摆角小于5°)．解析(1)球的直径为d＝14mm＋120×10mm＝14.50mm；根据机械能守恒定律m1gl(1－cosα)＝12m1v21，可得碰撞前瞬间球A的速度，碰撞后仍可根据机械能守恒定律计算小球A的速度，所以需要小球A碰后摆动的最大角β；小球B碰撞后做平抛运动，根据根据平抛运动规律可得小球B的速度，要求B的动量所以需要测量小球B的质量m2.(2)黏在一起后，球的重心发生变化，如图所示，摆长发生变化，故根据单摆周期T＝2πLg可得周期变大．答案(1)14.50小球B的质量m2，碰后小球A摆动的最大角β(2)大于【跟踪训练2】(2019·辽宁六校协作体高三联考)如图所示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点下方桌子的边沿有一竖直立柱，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．现已测出两弹性球1、2的质量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，C点与桌子边沿间的水平距离为c.(1)要完成实验，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)小球1从A处下摆过程只有重力做功，机械能守恒，根据机械能守恒定律，有m1g(a－h)＝12m1v21，解得v1＝2ga－h；碰撞后小球1上升到最高点的过程中，机械能守恒，根据机械能守恒定律，有m1g(b－h)＝12m1v22，解得v2＝2gb－h，碰撞后小球2做平抛运动，t＝2H＋hg，所以球2碰后速度v3＝xt＝c2H＋hg，所以该实验中动量守恒的表达式为m1v1＝m2v3＋m1v2，代入数据得2m1a－h＝2m1b－h＋m2ch＋H，要验证动量守恒，就需要知道碰撞前后的动量，所以要测量小球1、2的质量m1、m2，要通过平抛运动的分位移公式求解碰撞后球2的速度，所以要测量立柱高h，桌面高H.(2)由(1)可知该实验中动量守恒的表达式为2m1a－h＝2m1b－h＋m2ch＋H.答案(1)立柱高h桌面高H(2)2m1a－h＝2m1b－h＋m2ch＋H考点3实验改进与创新【例题3】(2019·济南质检)为了验证碰撞中的动量守恒和检验两个小球的碰撞是否为弹性碰撞，某同学选取了两个体积相同、质量相差比较大的小球，按下述步骤做了如下实验：①用天平测出两小球的质量(分别为m1和m2，且m1m2)；②按图所示安装好实验器材，将斜槽AB固定在桌边，使槽的末端切线水平，将一斜面BC连接在斜槽末端；③先不放小球m2，让小球m1从斜槽顶端A处由静止开始滚下，记下小球在斜面上的落点位置；④将小球m2放在斜槽末端边缘处，让小球m1从斜槽顶端A处由静止开始滚下，使它们发生碰撞，分别记下小球m1和m2在斜面上的落点位置；⑤用毫米刻度尺量出各个落点位置到斜槽末端B点的距离．图中D、E、F点是该同学记下小球在斜面上的落点位置，各点到B点的距离分别为LD、LE、LF.根据该同学的实验，回答下列问题：(1)在不放小球m2时，小球m1从斜槽顶端A处由静止开始滚下，m1的落点在图中的点，把小球m2放在斜槽末端边缘处，小球m1从斜槽顶端A处由静止开始滚下，使它们发生碰撞，碰后小球m1的落点在图中的点．(2)若碰撞过程中，动量和机械能均守恒，不计空气阻力，下列表达式中正确的是()A．m1LE＝m1LD＋m2LFB．m1L2E＝m1L2D＋m1L2FC．m1LE＝m1LD＋m2LFD．LE＝LF－LD解析(1)小球m1从斜槽顶端A处由静止开始滚下，m1的落点在图中的E点，小球m1和小球m2相撞后，小球m2的速度增大，小球m1的速度减小，都做平抛运动，所以碰撞后m1球的落地点是D点，m2球的落地点是F点．(2)碰撞前，小球m1落在图中的E点，设其水平初速度为v1.小球m1和m2发生碰撞后，m1的落点在图中的D点，设其水平初速度为v′1，m2的落点是图中的F点，设其水平初速度为v2.设斜面BC与水平面的倾角为α，由平抛运动规律得LDsinα＝12gt2，LDcosα＝v′1t，解得v′1＝gLDcosα22sinα，同理可解得v1＝gLEcos