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文档介绍
【物理】2020届一轮复习人教版第六章实验七验证动量守恒定律作业(1)
实验七 验证动量守恒定律 主干梳理 对点激活 验证动量守恒定律。 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′,计算出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p′=m1v1′+m2v2′,看碰撞前后动量是否守恒。 [实验方案一] 利用滑块和气垫导轨完成实验 [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、橡皮泥等。 [实验步骤] 1.用天平测出滑块质量。 2.正确安装好气垫导轨。 3.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)。 [数据处理] 1.滑块速度的测量:v=,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为光电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′。 [实验方案二] 利用等长摆球完成实验 [实验器材] 带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。 [实验步骤] 1.用天平测出两个等大小球的质量m1、m2。 2.把两个等大小球用等长悬线悬挂起来。 3.一个小球静止,拉起另一个小球,放下后它们相碰。 4.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.改变碰撞条件,重复实验。 [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可用刻度尺测量(也可由量角器和摆长计算出)。 2.验证的表达式:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。 [实验方案三] 利用小车和打点计时器完成实验 [实验器材] 光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、重物、天平、撞针、橡皮泥。 [实验步骤] 1.用天平测出两小车的质量。 2.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.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,把两小车连接成一个整体运动。 4.通过纸带上两计数点间的距离及时间,由v=算出速度。 5.改变碰撞条件,重复实验。 [数据处理] 1.小车速度的测量:v=,式中Δx是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量,Δt为小车经过距离Δx所用的时间,可由打点间隔算出。 2.验证的表达式:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。 [实验方案四] 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、白纸等。 [实验步骤] 1.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(避免入射小球反弹)。 2.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.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.不放被撞小球,每次让入射小球(质量为m1)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.把被撞小球(质量为m2)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。 6.连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度。将测量数据填入表中。 [数据处理] 验证的表达式:m1·=m1·+m2·,看在误差允许的范围内是否成立。 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,调整气垫导轨时,应注意利用水平仪确保导轨水平。 (2)若利用摆球进行验证,两摆球静止时球心应在同一水平线上,且刚好接触,摆线竖直。 (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。 3.探究结论:寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不变。 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(即正碰),为此两球应等大,且速度沿球心连线方向。 (2)实验是否满足动量守恒的条件,如气垫导轨是否水平,用长木板实验时是否平衡了摩擦力。 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。 考点细研 悟法培优 对应学生用书P142 考点1 实验原理与操作 例1 某实验小组用图甲所示的装置验证动量守恒定律。实验时,先将金属小球A从斜槽上某一固定位置由静止释放,A从斜槽末端飞出后落到水平地面的记录纸上留下落点痕迹,重复10次。把相同半径的塑料小球B放在与斜槽末端等高的支柱上,让A仍从斜槽上同一位置由静止释放,与B碰撞后,A、B 分别在记录纸上留下落点痕迹,重复10次。图中O点是水平槽末端在记录纸上的垂直投影点,M、P、N分别为小球落点的痕迹,小立柱与斜槽末端的距离等于小球的直径。 (1)下列说法正确的是( ) A.斜槽的末端必须水平 B.需要测量斜槽末端距地面的高度 C.图中M点是未放小球B时小球A的落点痕迹 D.图中P点是未放小球B时小球A的落点痕迹 (2)用螺旋测微器测量小球的直径时示数如图乙所示,则小球的直径d=________mm。 (3)实验中测出小球的直径及M、P、N与O点的距离分别用d、OM、OP、ON表示,若碰撞过程中动量守恒,则两小球的质量之比为________(用所给符号表示)。 尝试解答 (1)AD__(2)7.500(7.498~7.502) (3)。 (1)斜槽的末端必须水平才能保证两小球离开斜槽后做平抛运动,A正确;本实验是根据平抛运动的规律验证动量守恒定律,需要测量的是A、B两小球抛出的水平距离,因为抛出高度相同落地时间一样,验证时等式两端会把时间消去,所以与高度无关,B错误;碰撞后A球速度减小,B 球速度增大,因为落地时间一样,所以M点是碰撞后A球落点,N点是B球落点,而P点就是没有发生碰撞时A球的落点,C错误,D正确。 (2)螺旋测微器读数为7.5 mm+0.000 mm=7.500 mm。 (3)根据实验原理可知mAv0=mAv1+mBv2,因为下落时间一样,所以mA=mA+mB(-d),所以两小球质量之比为。 [变式1] 一实验小组用气垫导轨验证滑块碰撞过程中的动量守恒,实验装置如图所示。 (1)实验前应调节气垫导轨底部的调节旋钮,使导轨________;充气后,当滑块在导轨上能________运动时,说明气垫导轨已经调节好。 (2)实验时,先使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳,然后释放滑块1,滑块1通过光电门1后与左侧固定有弹簧的滑块2碰撞,碰后滑块1和滑块2依次通过光电门2,两滑块通过光电门2后依次被制动;实验中需要测量滑块1(包括挡光片)的质量m1、滑块2(包括弹簧和挡光片)的质量m2、滑块1通过光电门1的挡光时间Δt1、通过光电门2的挡光时间Δt2,还需要测量___________、______________。(写出物理量及其表示符号) (3)如果表达式__________________成立,则说明滑块碰撞过程中动量守恒。(用物理量的符号表示) 答案 (1)水平 匀速 (2)滑块2通过光电门2的挡光时间Δt3 挡光片的宽度d (3)m1=m1+m2 解析 (1)实验时,应调节气垫导轨底部的旋钮,使导轨水平,当滑块在导轨上能匀速运动时,说明气垫导轨已经调节好。 (2)实验时,需要测量两个滑块的质量以及滑块1碰前、碰后的速率与滑块2碰后的速率,所以还需要测量滑块2通过光电门2的挡光时间Δt3,以及挡光片的宽度d。 (3)碰前动量为m1,碰后动量为m1+m2,则表达式为m1=m1+m2 。 考点2 数据处理与误差分析 例2 某实验小组在进行“验证动量守恒定律”的实验中,入射球与被碰球半径相同。 (1)用游标卡尺测量直径相同的入射球与被碰球的直径,测量结果如图甲所示,该球直径为________ cm。 (2)实验中,直接测定小球碰撞前、后的速度是不容易的,但是,可以通过仅测量________(填选项前的符号),间接地解决这个问题。 A.小球开始释放高度h B.小球抛出点距地面的高度H C.小球做平抛运动的射程 D.小球的直径 (3)实验装置如图乙所示,先不放B球,使A球从斜槽上某一固定点C由静止滚下,再把B球静置于水平槽前端边缘处,让A球仍从C处由静止滚下。记录纸上的O点是重垂线所指的位置,M、P、N分别为落点的痕迹,未放B球时,A球落地点是记录纸上的________点;放上B球后,B球的落地点是记录纸上的________点。 (4)释放多次后,取各落点位置的平均值,测得各落点痕迹到O点的距离:=13.10 cm,=21.90 cm,=26.04 cm。用天平称得入射小球A的质量,m1=16.8 g,被碰小球B的质量m2=5.6 g。若将小球质量与水平位移的乘积作为“动量”,请将下面的表格填写完整。(答案保留三位有效数字) 根据上面表格中的数据,你认为能得到的结论是______________________ ______________________。 (5)实验中,关于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________。 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,碰撞前后动量之差越小,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 尝试解答 (1)2.14__(2)C__(3)P__N__(4)3.66×10-3__在实验误差允许范围内,可认为系统在碰前和碰后的“动量”守恒__(5)C。 (1)球的直径d=21 mm+4×0.1 mm =21.4 mm=2.14 cm。 (2)小球离开轨道后做平抛运动,因为小球抛出点的高度相同,它们在空中的运动时间相等,小球的水平位移与小球抛出的初速度成正比,可以用小球的水平位移代替其初速度,所以C正确。 (3)A球和B球相撞后,B球的速度增大,A球的速度减小,所以碰撞后A球的落地点距离O点最近,B球的落地点离O点最远,所以点P是未放B球时A球的落地点,N点是放上B球后,B球的落地点。 (4)碰后总动量p=m1+m2=0.0168×0.1310 kg·m+0.0056×0.2604 kg·m≈3.66×10-3 kg·m,则可知碰撞前、后总动量近似相等,在实验误差允许范围内,可认为系统在碰前和碰后的“动量”守恒。 (5)入射小球的释放点越高,入射球碰撞前的速度越大,相撞时内力越大,阻力的影响相对越小,可以较好的满足动量守恒的条件,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,C正确。 [变式2] 如图,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。图中O 点是小球抛出点在地面上的垂直投影,实验时先让入射球m1多次从倾斜轨道上S位置静止释放,找到其平均落地点的位置P,然后,把被碰小球m2静置于轨道的水平部分末端,再将入射球m1从斜轨上S位置静止释放,与小球m2相碰,并多次重复,测出碰后m1平均落地点在M点,m2平均落地点在N点,不计小球与轨道间的摩擦。 (1)实验中,不需要测量的物理量是________(填选项前的符号)。 A.两个小球的质量m1、m2 B.小球抛出点距地面的高度H C.小球做平抛运动的射程 (2)若实验中发现m1+m2小于m1,则可能的原因是________(填选项前的符号)。 A.碰撞过程有机械能的损失 B.计算时没有将小球半径考虑进去 C.放上小球m2后,入射球m1从倾斜轨道上静止释放的位置比原来的低 (3)若两球发生弹性正碰,则、、之间一定满足的关系是________(填选项前的符号)。 A.=- B.2×=+ C.=-2× 答案 (1)B (2)C (3)A 解析 (1)本实验要验证的动量守恒的式子是m1v1=m1v1′+m2v2′,要测量质量和速度,但速度是由水平位移来代替的,时间相同不用测量,即高度不用测量,故选B。 (2)碰撞的机械能损失不会影响动量守恒;本实验中小球半径对平抛射程无影响,故小球半径对碰撞前后的动量无影响;当第二次滑下高度比第一次低一些时,第二次碰后总动量小于第一次m1单独在水平面上的总动量,C正确。 (3)根据弹性碰撞的规律,碰撞后两球的速度为v1=v0,v2=v0,显然v2-v1=v0,因平抛运动中的时间相等,所以有=-,A正确。 考点3 实验创新 例3 (2018·武汉调研)在验证动量守恒定律的实验中,实验装置如图所示,a、b是两个半径相等的小球,按照以下步骤进行操作。 A.在木板表面钉上白纸和复写纸,并将该木板在紧靠槽口处竖直放置,使小球a从斜槽轨道上固定点处由静止释放,撞到木板并在白纸上留下痕迹O; B.将木板水平向右移动一定距离并固定,再使小球a从固定点处由静止释放,撞到木板上得到痕迹B; C.把小球b静止放在斜槽轨道水平段的最右端,让小球a仍从固定点处由静止释放,和小球b相碰后,两球撞在木板上得到痕迹A和C。 (1)为了保证在碰撞过程中小球a不反弹,a、b两球的质量m1、m2间的关系是m1________m2(填“大于”“小于”或“等于”)。 (2)为完成本实验,必须测量的物理量有________。 A.小球a开始释放的高度h B.木板水平向右移动的距离l C.小球a和小球b的质量m1、m2 D.O点分别到A、B、C三点的距离y1、y2、y3 尝试解答 (1)大于__(2)CD。 (1)为防止两球碰撞后,小球a反弹,小球a的质量应大于小球b的质量,即m1>m2。 (2)a、b两球碰撞后均做平抛运动,l=vt,y=gt2,得l=v ,若满足m1v0=m1v1+m2v2,即碰撞前后动量守恒,即可验证动量守恒定律,对该式进行整理可得=+,因此需要测量小球a和小球b的质量m1、m2以及O点分别到A、B、 C三点的距离y1、y2、y3,C、D正确。 [变式3] (2018·济宁模拟)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、质量不相等的小球,按下述步骤做了如下实验: ①用天平测出两个小球的质量分别为m1和m2(m1>m2)。 ②按照如图所示的那样,安装好实验装置。将斜槽AB固定在桌边,使槽的末端处的切线水平,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,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点B的距离,图中D、E、F点是该同学记下的小球在斜面上的几个落点位置,到B点的距离分别为LD、LE、LF。 (1)小球m1和m2发生碰撞后,m1的落点是图中的________点,m2的落点是图中的________点。 (2)用测得的物理量来表示,只要满足关系式________________,则说明碰撞中动量守恒。 (3)用测得的物理量来表示,只要再满足关系式________________,则说明两小球的碰撞是弹性碰撞。 答案 (1)D F (2)m1=m1+m2 (3)m1LE=m1LD+m2LF 解析 设斜面BC的倾角为θ,小球从斜面顶端平抛落到斜面上,位移大小为L,由平抛运动的知识可知,Lcosθ=vt,Lsinθ=gt2,可得v=Lcosθ =cosθ,由于θ、g都是恒量,所以v∝,v2∝L,所以动量守恒的表达式可以化简为m1=m1+m2,弹性碰撞时机械能守恒的表达式可以化简为m1LE=m1LD+m2LF。 高考模拟 随堂集训 1.(2014·全国卷Ⅱ)现利用图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。 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。 答案 见解析 解析 按定义,滑块运动的瞬时速度大小v为 v=① 式中Δx为滑块在很短时间Δt内的位移。 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A在碰撞前、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 代入题给实验数据得 v2=2.86 m/s⑥ 设两滑块在碰撞前、后的总动量分别为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,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。 2.(2018·河南适应性测试)用如图甲所示的装置验证动量守恒定律,小车P的前端粘有橡皮泥,后端连接通过打点计时器的纸带,在长木板右端垫放木块以平衡摩擦力,推一下小车P,使之运动,与静止的小车Q相碰粘在一起,继续运动。 (1)实验获得的一条纸带如图乙所示,根据点迹的不同特征把纸带上的点进行了区域划分,用刻度尺测得各点到起点A的距离。根据碰撞前后小车的运动情况,应选纸带上________段来计算小车P的碰前速度。 (2)测得小车P(含橡皮泥)的质量为m1,小车Q(含橡皮泥)的质量为m2,如果实验数据满足关系式______________,则可验证小车P、Q碰撞前后动量守恒。 (3)如果在测量小车P的质量时,忘记粘橡皮泥,则所测系统碰前的动量与系统碰后的动量相比,将________(填“偏大”“偏小”或“相等”)。 答案 (1)BC (2)m1=(m1+m2) (3)偏小 解析 (1)根据碰撞前后小车的运动情况,应选纸带上前段点迹均匀的部分来计算小车P的碰前速度,由图可知应该选BC段。 (2)碰前P的速度:v1=;碰后选择DE段计算共同速度,则v2=, 要验证的关系:m1v1=(m1+m2)v2, 即m1=(m1+m2)。 (3)如果在测量小车P的质量时,忘记粘橡皮泥,则m1的测量值偏小,因v1>v2,则m1v1偏小的量大于m1v2偏小的量,则所测系统碰前的动量与系统碰后的动量相比,将偏小。 3.(2018·广州测试)用如图所示的装置来验证动量守恒定律。滑块在气垫导轨上运动时阻力不计,其上方挡光条到达光电门D(或E),计时器开始计时;挡光条到达光电门C(或F),计时器停止计时。实验主要步骤如下: a.用天平分别测出滑块A、B的质量mA、mB; b.给气垫导轨通气并进行调整使其水平; c.调节光电门,使其位置合适,测出光电门C、D间的水平距离L; d.A、B之间紧压一轻弹簧(与A、B不粘连),并用细线拴住,静置于气垫导轨上; e.烧断细线,A、B各自运动,弹簧恢复原长前A、B均未到达光电门,从计时器上分别读取A、B在光电门之间运动的时间tA、tB。 (1)实验中还应测量的物理量是____________________(填物理量的名称及其表示字母)。 (2)利用上述测量的数据,验证动量守恒定律的表达式是____________________(用题中测量量表示)。 (3)利用上述数据还能测出烧断细线前弹簧的弹性势能Ep=____________________(用题中测量量表示)。 答案 (1)光电门E、F间的水平距离x (2)mA-mB=0 (3)mA()2+mB()2 解析 (1)要计算滑块B的速度,已测得B在光电门E、F间的运动时间,还需要测量光电门E、F间的水平距离x,所以实验中还应测量的物理量是光电门E、F间的水平距离x。 (2)滑块A的速度大小为vA=,滑块B的速度大小为vB=,若满足mAvA-mBvB=0,即可说明系统动量守恒,所以验证动量守恒定律的表达式是 mA-mB=0。 (3)根据能量守恒定律,烧断细线前弹簧的弹性势能Ep等于烧断细线后两滑块A、B的动能之和,所以烧断细线前弹簧的弹性势能Ep=mAv+mBv= mA()2+mB()2。 4.(2018·安徽五校联考)如图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: (1)还需要测量的量是______________、______________和______________。(填物理量的名称及其表示字母) (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) 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 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及立柱的高h,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再测出立柱高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h、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)的分析可以写出动量守恒的表达式: m1=m1+m2, 整理得:2m1=2m1+m2。查看更多