高中物理 第16章 动量守恒定律 1 实验 探究碰撞中的不变量课件 新人教选修35.ppt

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1、第十六章第十六章 动量守恒定律动量守恒定律2021/8/11 星期三11实验实验:探究碰撞中的不变量探究碰撞中的不变量2021/8/11 星期三21231.实验实验目的目的该实验该实验的目的是探究碰撞的目的是探究碰撞过过程中的不程中的不变变量量,我我们们需要在包括物体需要在包括物体质质量和速度在内的整体关系中探究哪些量是不量和速度在内的整体关系中探究哪些量是不变变的的,所以所以实验实验中一中一方面需要控制碰撞必方面需要控制碰撞必须须是一是一维维碰撞碰撞,另一方面另一方面还还要要测测量物体的量物体的质质量量和速度和速度,并通并通过计过计算探究不算探究不变变量存在的可能性。量存在的可能性。2021

2、/8/11 星期三31232.实验实验原理原理(1)探究思路探究思路:一一维维碰撞碰撞:两个物体碰撞前沿同一直两个物体碰撞前沿同一直线线运运动动,碰撞后仍沿碰撞后仍沿这这一一直直线线运运动动,这这种碰撞叫作一种碰撞叫作一维维碰撞。碰撞。探究不探究不变变量量:在一在一维维碰撞的情况下碰撞的情况下,设设两个物体的两个物体的质质量分量分别为别为m1、m2,碰撞前的速度分碰撞前的速度分别为别为v1、v2,碰撞后的速度分碰撞后的速度分别为别为v1、v2,如果速度与我如果速度与我们规们规定的正方向一致定的正方向一致,取正取正值值,相反取相反取负值负值,依次研依次研究以下关系是否成立究以下关系是否成立:a.

3、m1v1+m2v2=m1v1+m2v2;2021/8/11 星期三4123探究以上各关系式是否成立,关键是准确测量和计算碰撞前与碰撞后的速度v1、v2、v1、v2。若以上关系均不成立,可进一步探究等关系式是否成立。(2)实验方案设计:方案一:用气垫导轨完成两个滑块的一维碰撞。实验装置如图所示。2021/8/11 星期三5质量的测量:用天平测量质量。速度的测量:利用公式,式中x为滑块(挡光片)的宽度,t为计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门所对应的时间。利用在滑块上增加重物的方法改变碰撞物体的质量。实验方法:1232021/8/11 星期三6123a.用细线将弹簧片压缩,放置于两个滑块之间,并使

4、它们静止,然后烧断细线,弹簧片弹开后落下,两个滑块随即向相反方向运动(图甲)。b.在两滑块相碰的端面上装上弹性碰撞架(图乙),可以得到能量损失很小的碰撞。c.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,把两个滑块连成一体运动(图丙),这样可以得到能量损失很大的碰撞。2021/8/11 星期三7123方案二:利用等长悬线悬挂等大的小球实现一维碰撞。质量的测量:用天平测量。速度的测量:可以测量小球被拉起的角度,从而算出碰撞前小球对应的速度,测量碰撞后小球摆起的角度,算出碰撞后小球对应的速度。2021/8/11 星期三8123实现不同碰撞情境的措施:用贴胶布的方法增大两球碰撞时的

5、能量损失。方案三:利用小车在光滑长木板上碰撞另一辆静止的小车实现一维碰撞。实验装置如图所示。2021/8/11 星期三9123质量的测量:用天平测量质量。速度的测量:,式中x是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量;t为小经过x所用的时间,可由打点间隔算出。这个方案适合探究碰撞后两物体结合为一体的情况。碰撞的实现:两小车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,两小车连在一起运动。2021/8/11 星期三101233.实验实验器材器材方案一方案一:气气垫导轨垫导轨、光、光电计时电计时器、天平、滑器、天平、滑块块两个两个(带挡带挡光片光片)、重物、重物、弹弹簧片、簧片、细绳细绳、

6、弹弹性碰撞架、胶布、撞性碰撞架、胶布、撞针针、橡皮泥等。、橡皮泥等。方案二方案二:带细线带细线的小球的小球(两套两套)、铁铁架台、天平、量角器、坐架台、天平、量角器、坐标纸标纸、胶布、胶布等。等。方案三方案三:光滑光滑长长木板、打点木板、打点计时计时器、器、纸带纸带、小、小车车(两个两个)、天平、撞、天平、撞针针、橡皮泥等。橡皮泥等。2021/8/11 星期三11探究一探究二实验指导典例剖析探究一探究一实验实验原理与步原理与步骤骤实验步骤不论采用哪种方案,实验过程均可按实验方案合理安排,参考步骤如下:(1)用天平测量相关碰撞物体的质量m1、m2,填入预先设计好的表格中。(2)安装实验装置。(3

7、)使物体发生碰撞。(4)测量或读出碰撞前后相关的物理量,计算对应的速度,填入预先设计好的表格中。(5)改变碰撞条件,重复步骤(3)(4)。(6)进行数据处理,通过分析比较,找出碰撞中的“不变量”。(7)整理器材,结束实验。2021/8/11 星期三12探究一探究二实验指导典例剖析注意事项1.保证两物体发生的是一维碰撞,即两个物体碰撞前沿同一直线运动、碰撞后仍沿同一直线运动。2.气垫导轨是一种精度较高的现代化教学仪器。切忌振动、重压,严防碰伤和划伤,绝对禁止在不通气的情况下将滑行器在轨面上滑磨。3.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。4.利用摆球进行实验时,可以将实

8、验仪器靠在一个大型的量角器上,这样可以较准确地读出小球摆动的角度,以减小误差。5.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。6.碰撞有很多情形,我们寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变,才符合要求。2021/8/11 星期三13探究一探究二实验指导典例剖析【例题1】某同学用如图所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来探究碰撞过程中的不变量,图中PQ是斜槽,QR为水平槽。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。再把B球放在水平槽上

9、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。图中O点是水平槽末端R在记录纸上的垂直投影点,B球落点痕迹如图所示,其中刻度尺水平放置,且平行于G、R、O所在的平面,刻度尺的零点与O点对齐。2021/8/11 星期三14探究一探究二实验指导典例剖析(1)碰撞后B球的水平射程应取为cm。(2)在以下选项中,本次实验必须进行的测量是。A.水平槽上未放B球时,A球落点位置到O点的距离B.A球与B球碰撞后,A球落点位置到O点的距离C.A球与B球的质量D.G点相对于水平槽面的高度2021/8/11 星期三15探究一探究二实验指

10、导典例剖析解析:(1)本题利用了高度相同、小球运动时间相同,在比例式中,可以用位移代替速度,即变难测物理量为易测物理量,围绕10个落点所在的范围作最小的圆,其圆心即为平均落点,xB=64.8cm。(2)还应测出未放B球时,A球落点位置到O点的距离,A球和B球碰后,A球落点位置到O点的距离及A、B两球的质量。答案:(1)64.8(2)ABC2021/8/11 星期三16探究一探究二实验指导典例剖析2021/8/11 星期三17探究一探究二实验指导典例剖析变式训练1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A的前端粘有橡皮泥,开始时推动小车A,获得某一速度后小车A做匀速直线运动

11、,然后与原来静止在前方的小车B相碰并粘成一体,继续做匀速直线运动。他设计的具体装置如图甲所示。在小车A后连着纸带,电磁打点计时器电源的频率为50Hz,长木板下垫着小木片用以平衡摩擦力。2021/8/11 星期三18探究一探究二实验指导典例剖析(1)若已得到打点纸带如图乙所示,并测得各计数点间距离标在图上。A为运动起始的第一点,则应选段来计算小车A碰前的速度,应选段来计算小车A和小车B碰后的共同速度。(均选填“AB”“BC”“CD”或“DE”)(2)测得小车A的质量mA=0.40kg,小车B的质量mB=0.20kg,由以上测量结果可得:碰前mAvA+mBvB=kgm/s;碰后mAvA+mBvB=

12、kgm/s。2021/8/11 星期三19探究一探究二实验指导典例剖析解析:(1)从分析纸带上的打点情况看,BC段既表示小车做匀速运动,又表示小车有较大的速度,因此BC段能较准确地描述小车A在碰撞前的运动情况,应选用BC段计算小车A的碰前速度。从CD段打点情况看,小车的运动情况还没稳定,而在DE段内小车运动稳定,故应选用DE段计算碰后小车A和小车B的共同速度。2021/8/11 星期三20探究一探究二实验指导典例剖析小车A和小车B在碰撞后mAvA+mBvB=(mA+mB)v共=(0.20+0.40)0.695kgm/s=0.417kgm/s。答案:(1)BCDE(2)0.4200.417202

13、1/8/11 星期三21探究一探究二实验指导典例剖析探究二数据探究二数据处处理与理与误误差分析差分析数据处理1.方法:将实验中得到的m1、m2、v1、v2、v1和v2等数据代入m1v1+m2v2和m1v1+m2v2、和m1v12+m2v22、进行验证。2.结论:在实验误差允许的范围内,碰撞前、后不变的量是物体的质量m与速度v的乘积矢量和,即m1v1+m2v2=m1v1+m2v2。2021/8/11 星期三22探究一探究二实验指导典例剖析误差分析 2021/8/11 星期三23探究一探究二实验指导典例剖析【例题2】某同学运用以下实验器材,设计了一个碰撞实验来寻找碰撞前后的不变量:打点计时器、低压

14、交流电源(频率为50Hz)、纸带、表面光滑的长木板、带撞针的小车A、带橡皮泥的小车B、天平。该同学设计的实验步骤如下:A.用天平测出小车A的质量为mA=0.4kg,小车B的质量为mB=0.2kgB.更换纸带重复操作三次C.小车A靠近打点计时器放置,在车后固定纸带,把小车B放在长木板中间D.把长木板平放在桌面上,在一端固定打点计时器,连接电源E.接通电源,并给小车A一定的初速度vA2021/8/11 星期三24探究一探究二实验指导典例剖析(1)请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来。(2)打点计时器打下的纸带中,比较理想的一条如图所示,根据这些数据完成下表。2021/8/11 星期三25探究一探究

15、二实验指导典例剖析(3)根据以上数据猜想碰撞前后不变量的表达式为。解析:(1)按照先安装,后实验,最后重复的顺序,该同学正确的实验步骤为ADCEB。(2)碰撞前后均为匀速直线运动,由纸带上的点迹分布求出速度。碰后小车A、B合为一体,求出AB整体的共同速度。注意打点计时器的频率为50Hz,打点时间间隔为0.02s,通过计算得下表。2021/8/11 星期三26探究一探究二实验指导典例剖析(3)由表中数值可看出mv一行中数值相同,可猜想碰撞前后不变量的表达式为mAvA+mBvB=(mA+mB)v。答案:(1)ADCEB(2)见解析(3)mAvA+mBvB=(mA+mB)v2021/8/11 星期三

16、27探究一探究二实验指导典例剖析变式训练2某同学用图甲所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来寻找守恒量,图中PQ是斜槽,QR为水平槽,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,图中O是水平槽末端口在记录纸上的垂直投影点,P为未放被碰B球时A球的平均落点,M为与B球碰后A球的平均落点,N为被碰B球的平均落点。实验中,对入射小球在斜槽上释放点的高低对实验影响的说法中正确的是()2021/8/11 星期三28探究一探究二实验指导典例剖析A.释放点越低,小球受阻力越小,入射小球速度越小,误差越小B.释放点越低,两球碰后水平位移越小,水平位移测量的相对误

17、差越小,两球速度的测量越准确C.释放点越高,两球相碰时,相互作用的内力越大,阻力的影响相对越小,误差越小D.释放点越高,入射小球对被碰小球的作用力越大,轨道对被碰小球的阻力越小解析:入射球的释放点越高,入射球碰撞前的速度越大,相撞时作用力越大,阻力的影响相对越小,也有利于减小测量水平位移时的相对误差,从而使实验的误差减小,故A、B、D错误,C正确。答案:C2021/8/11 星期三29123451.利用气利用气垫导轨垫导轨做做“探究碰撞中的不探究碰撞中的不变变量量”的的实验时实验时,不需要不需要测测量量的物理量是的物理量是()A.滑滑块块的的质质量量B.挡挡光光时间时间C.挡挡光片的光片的宽宽

18、度度D.滑滑块块移移动动的距离的距离解析解析:根据根据实验实验原理可知原理可知,滑滑块块的的质质量、量、挡挡光光时间时间、挡挡光片的光片的宽宽度都是需要度都是需要测测量的物理量量的物理量,其中滑其中滑块块的的质质量用天平量用天平测测量量,挡挡光光时间时间用光用光电计时电计时器器测测量量,挡挡光片的光片的宽宽度可事先用刻度尺度可事先用刻度尺测测量。只有移量。只有移动动的距离不需要的距离不需要测测量量,故故选项选项D正确。正确。答案答案:D2021/8/11 星期三30123452.若用打点若用打点计时计时器做器做实验实验,下列哪些操作是正确的下列哪些操作是正确的()A.相互作用的两小相互作用的两

19、小车车上上,一个装上撞一个装上撞针针,一个装上橡皮泥一个装上橡皮泥,是是为为了了改改变变两两车车的的质质量量B.相互作用的两小相互作用的两小车车上上,一个装上撞一个装上撞针针,一个装上橡皮泥一个装上橡皮泥,是是为为了了碰撞后粘在一起碰撞后粘在一起C.先接通打点先接通打点计时计时器器电电源源,再再释释放拖放拖动纸带动纸带的小的小车车D.先先释释放拖放拖动纸带动纸带的小的小车车,再接通打点再接通打点计时计时器的器的电电源源解析解析:小小车车的的质质量可以用天平量可以用天平测测量量,没有必要一个用撞没有必要一个用撞针针而另一而另一个用橡皮泥配重个用橡皮泥配重,这样这样做的目的是使两小做的目的是使两小

20、车车碰撞后粘在一起有共同碰撞后粘在一起有共同速度速度,便于便于测测量碰后的速度量碰后的速度,选项选项B正确正确;打点打点计时计时器的使用原器的使用原则则是是先接通先接通电电源后源后释释放小放小车车,选项选项C正确。正确。答案答案:BC2021/8/11 星期三31123453.在利用在利用悬绳悬悬绳悬挂等大小球探究碰撞中的不挂等大小球探究碰撞中的不变变量的量的实验实验中中,下列下列说说法正确的是法正确的是()A.悬悬挂两球的挂两球的细绳长细绳长度要适当度要适当,且等且等长长B.由静止由静止释释放小球放小球,以便以便较较准确准确计计算小球碰前速度算小球碰前速度C.两小球必两小球必须须都是都是刚刚

21、性球性球,且且质质量相同量相同D.两小球碰后可以粘在一起共同运两小球碰后可以粘在一起共同运动动解析解析:两两绳绳等等长长能保能保证证两球正碰两球正碰,以减小以减小实验误实验误差差,所以所以选项选项A正正确确;由于由于计计算碰撞前速度算碰撞前速度时时用到了用到了,即初速度要求即初速度要求为为0,选项选项B正确正确;本本实验实验中中对对小球的性能无要求小球的性能无要求,选项选项C错误错误;两球正两球正碰后碰后,有各种运有各种运动动情况情况,选项选项D正确。正确。答案答案:ABD2021/8/11 星期三32123454.在在“探究碰撞中的不探究碰撞中的不变变量量”实验实验中中,对对于最于最终终的的

22、结论结论m1v1+m2v2=m1v1+m2v2,下列下列说说法正确的是法正确的是()A.仅仅限于一限于一维维碰撞碰撞C.式中的式中的v1、v2、v1、v2都是速度的大小都是速度的大小D.式中的不式中的不变变量是量是m1和和m2组组成的系成的系统统的的质质量与速度乘量与速度乘积积之和之和解析解析:这这个个实验实验是在一是在一维维情况下情况下设计设计的的实验实验,其他情况未做探究其他情况未做探究;系系统统的的质质量与速度的乘量与速度的乘积积之和在碰撞前后之和在碰撞前后为为不不变变量是量是实验实验的的结论结论,其他探究的其他探究的结论结论情况不成立情况不成立,而速度是矢量而速度是矢量,应应考考虑虑方

23、向方向,故故选项选项A、D正确。正确。答案答案:AD2021/8/11 星期三33123455.(选选做做题题)如如图为图为气气垫导轨垫导轨上两个滑上两个滑块块A、B相互作用后运相互作用后运动过动过程的程的频闪频闪照片照片,频闪频闪的的频频率率为为10Hz。开始两个滑。开始两个滑块块静止静止,它它们们之之间间有一根被有一根被压缩压缩的的轻弹轻弹簧簧,滑滑块块用用细绳连细绳连接接,细绳烧细绳烧断后断后,两个滑两个滑块块向向相反方向运相反方向运动动。已知滑。已知滑块块A、B的的质质量分量分别为别为200g、300g,根据照根据照片片记录记录的信息的信息,可知可知细绳烧细绳烧断后断后,A滑滑块块做运

24、做运动动,其速度大小其速度大小为为m/s。本。本实验实验中得出的中得出的结论结论是。是。2021/8/11 星期三3412345解析:由题图可知,细绳烧断后,A、B均做匀速直线运动,开始时:vA=0,vB=0,规定向右方向为正方向,则A、B被弹开后,vA=-0.09m/s,vB=0.06m/smAvA=0.2(-0.09)kgm/s=-0.018kgm/smBvB=0.30.06kgm/s=0.018kgm/s由此可得0=mBvB+mAvA结论是两滑块组成的系统在相互作用前后质量与速度乘积的矢量和相等。答案:匀速直线0.09两滑块组成的系统在相互作用前后质量与速度乘积的矢量和相等2021/8/11 星期三352021/8/11 星期三36