专题07+验证动量守恒定律-2019年高考物理三轮夺分速练之实验

专题07+验证动量守恒定律-2019年高考物理三轮夺分速练之实验

‎【纲要导引】‎ 验证动量守恒定律属于选修3-5的考察实验，17年前新课标不作为重点学习内容，18年新课标将选修3-5纳入必考，则验证动量守恒定律在往后的考试中很有可能会出现，考察思想和方法与验证机械能守恒定律类似，难度不大。‎ ‎【点拨练习】‎ ‎1．（2018•顺义区二模）若采用图中甲、乙两种实验装置来验证动量守恒定律（图中小球半径相同，质量均为已知，且mA＞mB，B、B′两点在同一水平线上），下列说法正确的是（　　）‎ A．采用图甲所示的装置，必须测量OB、OM、OP和ON的距离 ‎ B．采用图乙所示的装置，必须测量OB、B′N、B′P和B′M的距离 ‎ C．采用图甲所示装置，若mA•ON＝mA•OP+mB•OM，则表明此碰撞动量守恒 ‎ D．采用图乙所示装置，若＝+，则表明此碰撞机械能守恒 ‎【答案】D ‎【解析】A、如果采用图甲所示装置，由于小球平抛运动的时间相等，故可以用水平位移代替速度进行验证，不需要测量OB的长度，故A错误；‎ B、如果采用图乙所示装置时，利用水平距离相等，根据下落的高度可确定飞行时间，从而根据高度可以表示出对应的水平速度，从而确定动量是否守恒，故不需要测量OB的距离，故B错误；‎ C、采用图甲所示装置，一个球时水平距离为OP，两球相碰时，A球距离为OM，B球为ON，则根据动量守恒定律有：‎ mAv＝mAv1+mBv2，因下落时间相同，则两端同时乘以t后有mA•OP＝mA•OM+mB•ON，则表明此碰撞动量守恒，故C错误；‎ D、小球碰后做平抛运动，速度越快，下落高度越小，单独一个球下落时，落点为P，两球相碰后，落点分别为M和N，根据动量守恒定律有：‎ mAv＝mAv1+mBv2，而速度v＝，根据h＝gt2可得，t＝，则可解得：v＝，v1＝，v2＝；‎ 代入动量守恒表达式，消去公共项后，有：＝+‎ 机械能守恒定律可知：mAv2＝mAv12+mBv22‎ 代入速度表达式可知：＝+‎ 联立动量表达式和机械能表达式可知＝+，故可以根据该式表明此碰撞机械能守恒，故D正确。‎ ‎2．（2006•天津）（1）用半径相同的两小球A、B的碰撞验证动量守恒定律，实验装置示意如图，斜槽与水平槽圆滑连接．实验时先不放B球，使A球从斜槽上某一固定点C由静止滚下，落到位于水平地面的记录纸上留下痕迹．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，A球和B球碰撞后分别落在记录纸上留下各自的痕迹．记录纸上的O点是重垂线所指的位置，若测得各落点痕迹到O点的距离：OM＝2.68cm，OP＝8.62cm，ON＝11.50cm，并知A、B两球的质量比为2：1，则未放B球时A球落地点是记录纸上的　 　点，系统碰撞前总动量p与碰撞后总动量p′的百分误差＝　 　%（结果保留一位有效数字）．‎ ‎（2）一多用电表的电阻档有三个倍率，分别是×1、×10、×100．用×10档测量某电阻时，操作步骤正确，发现表头指针偏转角度很小，为了较准确地进行测量，应换到　 　档．如果换档后立即用表笔连接待测电阻进行读数，那么缺少的步骤是　 　，若补上该步骤后测量，表盘的示数如图，则该电阻的阻值是　 　Ω．‎ ‎（3）某研究性学习小组利用图1所示电路测量电池组的电动势E和内阻r．根据实验数据绘出如图2所示的R﹣图线，其中R为电阻箱读数，I为电流表读数，由此可以得到E＝　 　V，r＝　 　Ω．‎ ‎【答案】（1）P；2‎ ‎（2）×100；调零（或重新调零）；2.2×103（或2.2k）‎ ‎（3）2.9；0.9‎ ‎【解析】（1）A与B相撞后，B的速度增大，A的速度减小，碰前碰后都做平抛运动，高度相同，落地时间相同，所以P点是没有碰时A球的落地点，N是碰后B的落地点，M是碰后A的落地点；‎ 系统碰撞前总动量p与碰撞后总动量p′的百分误差＝＝‎ ‎≈2%．‎ ‎（2）操作步骤正确，发现表头指针偏转角度很小，知电阻较大，应换到×100档，换挡后需重新欧姆调零．电阻的阻值22×100＝2.2×103Ω．‎ ‎（3）根据闭合电路欧姆定律得，E＝IR+Ir，则，知纵轴截距的绝对值表示内阻的大小，所以r＝0.9Ω，图线的斜率表示电动势，则E＝．‎ ‎3．（2011•全国）某同学用如图所示的装置做“验证动量守恒定律”的实验。图中，B为气垫导轨，A、C为固定在导轨两端的竖直挡板，D、E为两个刚性滑块。完成下列实验步。‎ ‎（1）调节气垫导轨，使导轨保持　 　‎ ‎（2）称量滑块D、E的质量m1和m2‎ ‎（3）将滑块D、E紧贴在一起，置于导轨上的确定位置。用电动卡销卡住D和E。‎ ‎（4）在D和E之间水平放置一轻弹簧，使弹簧处于压缩状态。‎ ‎（5）放开电动卡销：同时启动电子计时器，记下D至A运动的时间和E至C运动的时间。‎ ‎（6）重复步骤（3）（4）（5）多次，计算D至A的运动时间的平均值t1和E至C运动时间的平均值t2‎ ‎（7）测量　 　和　 　。‎ ‎（8）检查关系式　 　是否近似成立：如近似成立，则（在滑块和气垫导轨的摩擦力很小的前提下）验证了动量守恒。‎ ‎【答案】（1）水平；（7）D到A的距离L1；E到C的距离L2 （8）m2＝m1‎ ‎【解析】（1）为了减小误差，实验中应调节气垫导轨，使导轨保持水平；‎ ‎（7）根据实验原理可知，本实验中需要测量弹簧弹开后两滑块的速度，由题意可知，根据滑块滑到档板的平均速度来表示弹开后的速度，故需要测量两滑块到左右档板的距离，由平均速度公式求出碰后的速度；‎ ‎（8）根据平均速度公式可知，vD＝ vE＝‎ 设向右为正方向，根据动量守恒定律可得，应验证的表达式为：‎ ‎0＝m2vE﹣m1vD 代入速度可得：‎ m2＝m1‎ ‎4．（2019•惠州模拟）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，继续做匀速运动．他设计的装置如图（a）所示．在小车A后连着纸带，电磁打点计时器所用电源频率为50Hz，长木板下垫着小木片以平衡摩擦力．‎ ‎（1）若已测得打点的纸带如图（b）所示，并测得各计数点的间距（已标在图上）．A为运动的起点，则应选　 　段来计算A碰撞前的速度，应选　 　段来计算A和B碰后的共同速度（以上两空选填“AB”“BC”“CD”或“DE”）．‎ ‎（2）已测得小车A的质量m1＝0.4kg，小车B的质量m2＝0.2kg，则碰前两小车的总动量大小为　 　kg•m/s，碰后两小车的总动量大小为　 　kg•m/s．（计算结果保留三位有效数字）‎ ‎【答案】（1）BC，DE；（2）0.420，0.417．‎ ‎【解析】（1）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碰后的共同运动时做匀速直线运动，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．‎ ‎（2）碰前小车的速度为诶：vA＝＝＝1.05m/s，‎ 碰前的总动量为：P＝mAvA＝0.4×1.05＝0.420kg•m/s；‎ 碰后小车的共同速度为：v＝＝＝0. 695m/s，‎ 碰后的动量为：P′＝（mA+mB）v＝（0.4+0.2）×0.695＝0.417kg•m/s；‎ ‎5．（2018•保山一模）如图1，用“碰撞实验器”可以验证动量守恒定律，即研究两小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系。‎ ‎①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．小球开始释放的高度h B．小球抛出点距地面的高度H C．小球平抛运动的射程 ‎②图2中O点是小球抛出点在地面上的垂直投影。实验时，先让入射小球m1多次从斜面上S位置静止释放，找到其平均落地点的位置P，测量平抛射程OP．然后把被碰小球m2静置与轨道水平部分，再将入射小球m1从斜轨上S位置静止释放，与小球m2相碰，并多次重复。‎ 接下来完成的必要步骤是　 　。（填写选项前的符号）‎ A．用天平测量两小球的质量m1、m2‎ B．测量小球m1开始释放的高度h C．测量抛出点距地面的高度H D．分别找到m1、m2相碰后平均落地点的位置M、N E．测量平抛射程OM、ON 实验结果表明，碰撞前、后总动量的比值为　 　。‎ ‎【答案】①C；②ADE；‎ ‎【解析】①由于本实验的碰撞是在同一高度，在空中运动时间相同，因而根据小球做平抛运动的射程就可知道碰撞后速度的大小之比，所以选C；‎ ‎②实验时，先让入射球ml多次从斜轨上S位置静止释放，找到其平均落地点的位置P，测量平抛射程OP．然后，把被碰小球m2静置于轨道的水平部分，再将入射球ml从斜轨上S位置静止释放，与小球m2‎ 相碰，并多次重复。测量平均落点的位置，找到平抛运动的水平位移，因此步骤中D、E是必须的，而且D要在E之前。至于用天平秤质量先后均可以。所以答案是ADE；‎ 碰撞前、后总动量的比值：＝＝‎ ‎6．（2018•泸州模拟）某同学设计了如图甲所示的装置来验证动量守恒定律：长木板下垫一小木片，轻推一下前端粘有橡皮泥（质量不计）的小车1后，连着穿过打点计时器纸带的小车1在木板上作匀速运动然后与静止在前方的小车2相碰并粘在一起，继续做匀速运动。打点计时器接频率为50Hz的交流电源。实验得到的纸带上各计数点（相邻两计数点间还有四个点未标出）如图乙所示。‎ ‎（1）小车1和2相碰的位置发生在相邻的两计数点　 　之间（填纸带上计数点字母符号）；‎ ‎（2）已知小车1的质量m1＝0.40kg，小车2的质量m2＝0.55kg，由以上测量结果可计算出碰前小车1和2系统的总动量为　 　kg•m/s，碰后总动量为　 　kg•m/s（计算结果保留2位有效数字），由此可得出的实验结论是　 　。‎ ‎【答案】（1）HI；（2）0.040；0.038；在误差允许范围内系统动量守恒。‎ ‎【解析】（1）由图示纸带可知，在H之前、I之后小车在相等时间内位移相等，且相等时间内位移不相等，由此可知，两车碰撞发生在相邻计数点HI间。‎ ‎（2）相邻两计数点间还有四个点未标出，计数点间的时间间隔：t＝0.02×5＝0.1s，‎ 碰撞前小车1的速度：v1＝＝＝0.1m/s，小车2静止，‎ 碰撞前系统总动量：P＝m1v1＝0.40×0.1＝0.040kg•m/s，‎ 碰撞后两小车速度相等，速度：v＝＝＝0.04m/s，‎ 碰撞后系统总动量：P′＝（m1+m2）v＝（0.40+0.55）×0.04＝0.038kg•m/s，‎ 由实验可知，碰撞过程在误差允许范围内系统动量守恒；‎ ‎7．（2018•台州模拟）某同学用如图1所示的装置探究碰撞中的不变量，实验开始前在水平放置的气垫导致左端装一个弹射装置，滑块碰到弹射装置时将被锁定，打开控制开关，滑块可被弹射装置向右弹出。滑块甲和滑块乙上装有相同宽度的挡光片，在滑块甲的右端和滑块乙的左端装上了弹性碰架（图中未画出），可保证在滑块碰撞过程中能量损失极小。开始时，滑块甲被弹射装置锁定，滑块乙静置于两个光电门之间。‎ ‎（1）该同学用游标卡尺测量挡光片的宽度d和如图2所示，则d＝　 　cm ‎（2）为使碰撞后两个滑块能够先后通过光电门2，则选用下列哪组滑块能使实验效果更好　 　‎ A．M甲＝50g，M乙＝50g B．M甲＝100g，M乙＝50g C．M甲＝50g，M乙＝100g ‎（3）某次实验时，该同学记录下滑块甲（质量为m甲）通过光电门1的时间为t1，滑块乙（质量为m2）通过光电门2的时间为t2，滑块甲通过光电门2的时间为t3，根据实验器材等测量条件确定误差范围。‎ ‎①只要等式　 　成立，则可说明碰撞过程中动量守恒；‎ ‎②只要等式　 　成立，则可说明这次碰撞为弹性碰撞。‎ ‎（注：以上2个等式必须用题目中所给的字母表示）‎ ‎【答案】（1）2.145；（2）B；（3）①m甲v＝m甲+m乙；②m甲（）2＝m甲（）2+m乙（）2‎ ‎【解析】（1）游标卡尺的主尺读数为21mm，游标读数为0.05×9mm＝0.45mm，则最终读数为21.45mm＝2.145cm；‎ ‎（2）为使碰撞后两个滑块能够先后通过光电门2，所以入射球不能反弹，所以应用质量较大的球云碰质量较小的球，故选B；‎ ‎（3）滑块经过光电门的速度分别为：v1＝ v2＝ v3＝‎ ‎①设甲的初速度方向为正方向，则由动量守恒定律有：‎ m甲v1＝m甲v3+m乙v2；‎ 代入速度公式则有：‎ m甲＝m甲+m乙；‎ ‎②要保证为碰性碰撞，碰撞前后机械能守恒，则有：‎ m甲（）2＝m甲（）2+m乙（）2；‎ 即m甲（）2＝m甲（）2+m乙（）2成立，即说明为弹性碰撞。‎ ‎8．（2018•广州二模）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，如图静置于气垫导轨上；‎ 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在两光电门之间运动的时间tA、tB。‎ ‎（1）实验中还应测量的物理量x是　 　（用文字表达）。‎ ‎（2）利用上述测量的数据，验证动量守恒定律的表达式是：　 　（用题中所给的字母表示）。‎ ‎（3）利用上述数据还能测出烧断细线前弹簧的弹性势能Ep＝　 　（用题中所给的字母表示）。‎ ‎【答案】（1）光电门E、F间的水平距离；（2）；（3）。‎ ‎【解析】（1）本实验要验证动量守恒定律，所以需要测量物体的质量和两物体的速度，由题意可知，还需要测量光电门E、F间的水平距离，从而求出B物体的速度；‎ ‎（2）根据平均速度公式可知，碰后vA＝，B的速度vB＝，设A的方向为正方向，则有：‎ mAvA﹣mBvB＝0‎ 则有：‎ ‎（3）根据机械能的表达式可知，EP＝＝；‎ ‎9．（2014•新课标Ⅱ）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质量m1＝0.310kg，滑块B的质量m2＝0.108kg，遮光片的宽度d＝1.00cm；打点计时器所用的交流电的频率为f＝50Hz．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△tB＝3.500ms，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】在误差范围内验证了动量守恒定律，证明过程如上所述 ‎【解析】打点计时器的打点时间间隔t＝＝＝0.02s，‎ 由图（b）所示纸带可知，碰撞前A的速度：vA＝＝＝2m/s，‎ 碰撞后A的速度vA′＝＝0.97m/s，‎ 碰撞后B的速度：vB′＝＝≈2.86m/s，‎ 碰撞前后系统总动量分别为：‎ p＝m1vA＝0.31×2＝0.62kg•m/s，‎ p′＝m1vA′+m2vB′＝0.31×0.97+0.108×2.86≈0.61kg•m/s，‎ 绝对误差：||×100%＝||×100%≈1.6%＜5%，‎ 由此可知，在误差范围内验证了动量守恒定律．‎