第38课时验证动量守恒定律(实验增分课)实验目的：验证动量守恒定律。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pm1v1m2v2及碰撞后的动量pm1v1m2v2，看碰撞前后动量是否守恒。实验方案方案一利用气垫导轨完成一维碰撞实验 实验器材气垫导轨、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、游标卡尺等。实验步骤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(改变滑块的质量；改变滑块的初速度大小和方向)。数据处理1滑块速度的测量：v，式中x为滑块挡光片的宽度(仪器说明书上给出，也可直接测量)，t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：m1v1m2v2m1v1m2v2。方案二利用等长摆球完成一维碰撞实验 实验器材带细线的摆球(两套，等大不等重)、铁架台、天平、量角器、刻度尺、游标卡尺、胶布等。实验步骤1测质量和直径：用天平测出小球的质量m1、m2，用游标卡尺测出小球的直径d。2安装：把小球用等长悬线悬挂起来，并用刻度尺测量悬线长度l。3实验：一个小球静止，拉起另一个小球，放下时它们相碰。4测角度：用量角器测量小球被拉起的角度和碰撞后两小球摆起的角度。5改变条件重复实验：改变小球被拉起的角度；改变摆长。数据处理1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可由摆角和摆长计算出。2验证的表达式：m1v1m1v1m2v2。方案三利用两辆小车完成一维碰撞实验 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、刻度尺等。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：小车B静止，接通电源，让小车A运动，碰撞时撞针插入橡皮泥中，两小车连接成一个整体运动。4改变条件重复实验：改变小车A的初速度；改变两小车的质量。数据处理1小车速度的测量：通过纸带上两计数点间的距离及时间，由v计算。2验证的表达式：m1v1(m1m2)v2。方案四利用斜槽滚球验证动量守恒定律 实验器材斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸、圆规、刻度尺等。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：按照如图所示安装实验装置。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单球找点：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。改变入射小球的释放高度，重复实验。数据处理1小球水平射程的测量：连接ON，测量线段OP、OM、ON的长度。2验证的表达式：m1OPm1OMm2ON。误差分析1系统误差：主要来源于实验器材及实验操作等。(1)碰撞是否为一维。(2)气垫导轨是否完全水平，摆球受到空气阻力，小车受到长木板的摩擦力，入射小球的释放高度存在差异。2偶然误差：主要来源于质量m1、m2和碰撞前后速度(或水平射程)的测量。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验证，给滑块的初速度应沿着导轨的方向。(2)若利用摆球进行验证，实验前两摆球应刚好接触且球心在同一水平线上，将摆球拉起后，两摆线应在同一竖直面内。(3)若利用两小车相碰进行验证，要注意平衡摩擦力。(4)若利用平抛运动规律进行验证，安装实验装置时，应注意调整斜槽，使斜槽末端水平，且选质量较大的小球为入射小球。考法一实验原理与操作1.在“验证动量守恒定律”的实验中，实验器材有：斜槽轨道、大小相等质量不同的小钢球两个、重垂线一条、白纸、复写纸、圆规。实验装置及实验中小球运动轨迹及落点的情况如图所示。试根据实验要求完成下列填空：(1)实验前，轨道的调节应保证_。(2)实验中重复多次让a球从斜槽上释放，应特别注意_。(3)实验中还缺少的测量器材有_。(4)实验中需要测量的物理量是_。(5)若该碰撞过程中动量守恒，则一定有关系式_成立。解析：(1)由于要保证两球发生弹性碰撞后做平抛运动，即初速度沿水平方向，所以必需保证斜槽末端的切线水平。(2)由于实验要重复进行多次以确定同一个弹性碰撞后两小球的落点的确切位置，所以每次碰撞前a球的速度必须相同，根据动能定理mghmv2，可得v，所以每次必须让a球从同一高处静止释放滚下。(3)要验证mav0mav1mbv2，由于碰撞前后a球和b球从同一高度同时做平抛运动的时间相同，故可验证mav0tmav1tmbv2t，而v0tOP，v1tOM，v2tON，故只需验证maOPmaOMmbON，所以要测量a球的质量ma和b球的质量mb，故需要天平；要测量两球平抛时水平方向的位移即线段OP、OM和ON的长度，故需要刻度尺。(4)由(3)可知实验中需测量的物理量是a球的质量ma和b球的质量mb，线段OP、OM和ON的长度。(5)由(3)可知若该碰撞过程中动量守恒，则一定有关系式maOPmaOMmbON成立。答案：(1)斜槽末端的切线水平(2)让a球从同一高处静止释放滚下(3)天平、刻度尺(4)a球的质量ma和b球的质量mb，线段OP、OM和ON的长度(5)maOPmaOMmbON2.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。现用带竖直挡板C、D的气垫导轨和滑块A、B探究碰撞中的不变量，实验装置如图所示。采用的实验步骤如下：a用天平分别测出A、B的质量mA、mB；b调整气垫导轨，使导轨处于水平；c在A和B间放入一个被压缩的轻弹簧，用电动卡销锁定，静止放置在气垫导轨上；d用刻度尺测出A的左端至挡板C的距离L1；e按下电钮放开卡销，同时分别记录A、B运动时间的计时器开始工作，当A、B分别碰撞C、D时计时结束，记下A、B分别到达C、D的运动时间t1和t2。(1)实验中还应测量的物理量及其符号是_。(2)作用前A、B质量与速度乘积之和为_；作用后A、B质量与速度乘积之和为_。(3)作用前、后A、B质量与速度乘积之和并不完全相等，产生误差的原因有_(至少答出两点)。解析：A、B被压缩的弹簧弹开后，在气垫导轨上运动时可视为匀速运动，因此只要测出A与C的距离L1、B与D的距离L2及A到达C、B到达D的时间t1和t2，测出A、B的质量，就可以探究碰撞中的不变量。(1)由上述分析可知，实验中还应测量的物理量为：B的右端至D的距离L2。(2)设向左为正方向，根据所测数据求得A、B的速度分别为vA，vB，碰前A、B静止，即v0，质量与速度乘积之和为0，碰后A、B的质量与速度乘积之和为mAvAmBvBmAmB；若设向右为正方向，同理可得碰后A、B的质量与速度乘积之和为mBmA。(3)产生误差的原因：L1、L2、t1、t2、mA、mB的数据测量误差；没有考虑弹簧推动滑块的加速过程；滑块并不是做标准的匀速直线运动，滑块与导轨间有少许摩擦力；气垫导轨可能不完全水平。答案：(1)B的右端至D的距离L2(2)0mAmB(3)见解析(1)验证动量守恒定律的关键是弄清实验原理，如第2题中，关键是求出A、B分开时各自的质量m和速度v的乘积，通过比较两个乘积的大小关系得出实验结论。(2)本实验中的误差既有系统误差，又有偶然误差，如导轨不水平、滑块与导轨间仍存在摩擦、弹簧有作用时间等，都会对实验结果产生影响。 考法二数据处理和误差分析3如图甲所示，是气垫导轨上的两个滑块的照片，中间是滑块A，质量mA0.20 kg，右边是滑块B，质量mB0.30 kg。图乙是滑块B向左运动中与滑块A碰后合为一体的频闪照片，频闪照片的频率f10 Hz。(1)根据照片提供的信息，碰前A、B整体的动量大小为_kgm/s，碰后A、B整体的动量大小为_kgm/s。(2)实验结论：_。解析：(1)题图频闪照片频率为10 Hz，即滑块相邻两位置的时间间隔为0.1 s。取水平向左为正方向，从题图中读出碰前A的位置不变，则A静止；B在碰前相等时间内的位移为1.6 cm，B碰前的速度应为v0 m/s0.16 m/s，所以碰前A、B整体的动量为p0mBv00.300.16 kgm/s0.048 kgm/s。碰后A、B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/s0.10 m/s，碰后A、B整体的动量为p(mAmB)v共(0.200.30)0.10 kgm/s0.050 kgm/s。(2)实验结论：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，在碰撞过程中动量守恒4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，电磁打点计时器的电源频率为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(已标在图上)。A为运动的起点，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(以上均选填“AB”或“BC”或“CD”或“DE”)。(2)已测得A(包括橡皮泥)的质量m1 0.4 kg，B的质量m20.2 kg，则碰前两小车的总动量大小为_kgm/s，