实验：探究碰撞中的不变量(1)

实验：探究碰撞中的不变量(1)

‎ ‎ 探索碰撞中的不变量 ‎——课堂设计 新课引入：‎ 幻灯片 ‎ 请大家回忆一个概念：什么叫力？力是物体和物体之间的相互作用。而有些物体间的相互作用显得有些剧烈，那就是碰撞！碰撞是很常见的现象：大到宇宙空间天体之间、天体飞行器之间的相互碰撞，小到微观粒子之间的碰撞。（显示图片）‎ ‎ 回到我们生活的空间，我来给大家看几种碰撞：‎ 演示实验：‎ ‎ 演示：两个摆球在最低点的碰撞：1、质量大的撞击质量小的；2、质量小的撞击质量大的；3、两个运动小球之间的对碰；4、质量相等的小球之间的碰撞。（玩具碰）‎ 小结：不同情况下，相互碰撞的物体运动状态改变且改变情况不相同，那么在碰撞前后会不会有什么物理量不变（就象自由落体过程中机械能不变一样）‎ 引入：今天我们用最简单的碰撞来研究——两个物体的一维碰撞：碰撞前后两个物体都在同一直线上运动。‎ 在一维碰撞里面，质量不变，但它显然不是我们追求的不变量；速度变化了（考虑到速度的矢量性，我们要选定一个正方向，如果速度和选定的正方向一致，取正值，否则取负值）‎ 问题：因为质量不同的时候，速度的变化情况也不一样，所以我们寻求的不变量应该和质量相关、和速度相关，是什么呢？‎ 猜想： 会不会是两个物体各自的质量与自己速度的乘积之和是不变量？‎ 幻灯片 即：m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′成立 或者，各自的质量与自己速度的二次方的乘积之和是不变量？‎ 即：m1v12+m2v22=m1v1′2+m2v2′2成立 或者，两个物体的速度与自己质量的比值之和是不变量 即：成立 或者……‎ 我们的实验需要考虑的问题：‎ ‎ 1、如何保证碰撞是一维的，保证两物体在碰撞前后在同一直线上运动；‎ ‎ 2、如何测量物体的质量；（天平，弹簧秤）‎ ‎ 3、怎样测量物体的速度。‎ ‎ 4、数据表格：对比、探究、验证实验中，如何设计一个直观、方便的表格也是成功的关键所在。‎ 给出参考表格，可自己设计更方便的表格。‎ 4‎ ‎ ‎ 研究方案一：运动的小球撞击静止的小球 ‎1、质量的测量：天平；‎ ‎2、保证一维碰撞：利用斜槽末端水平槽控制小球做水平方向运动；‎ ‎3、速度的测量：由于入射球和被碰小球碰撞前后均由同一高度飞出做平抛运动，飞行时间相等，若取飞行时间为单位时间，则数值上可用水平位移代替水平速度。‎ ‎17g和2.5g 研究方案二：运动的小车撞击静止的小车后成为一个整体。‎ ‎1、质量的测量：天平；‎ ‎2、保证一维碰撞：四轮小车在平板上运动 ‎3、速度的测量：利用打点计时器和跟随小车的纸带来测量小车的速度。（V1= S10/10T，V/1=V/2= S/10/10T）‎ 实验小结：‎ ‎1、由于各种误差的存在，相对误差在5%以内的，我们可以认为这两个值相等，由于我们使用的方法、器材的局限，能在10%以内也算可以了，但超过20%以上的，一般就不认为相等了。‎ ‎2、提问：能小于10%的是第几组物理量？征集：讨论的问题中，有相对差值小于5%的。‎ ‎3、展示成果：‎ 4‎ ‎ ‎ 得到结论：‎ ‎ 在误差允许的范围内，从实验结果看，在各种碰撞的前后，系统“mv”之和是一个定值；而系统“mv2”之和有的情况下是一个定值，而有时变化很大。‎ 刚才大家所研究的都是一个运动的物体去碰一个静止的物体（弹性很不好的时候成为一个整体，弹性比较的时候分开），那么如果两个物体都具有一定的初速度，刚才的结论还成立吗？‎ 研究方案三：气垫导轨上两个滑块的碰撞 ‎1、质量的测量：弹簧秤；‎ ‎2、保证一维碰撞：气垫导轨保证了两滑块碰撞前后都在同一直线上 ‎3、速度的测量：利用光电计时器计下挡光片挡光的时间t，再测出挡光片的长度L，可得滑块的速度v=L/t。‎ ‎4、实验操作：‎ ‎ 1)有弹性圈 ‎ ‎ 2）橡皮泥 ‎ 3）碰后成为一整体 数据评点：‎ ‎1、各时间的物理意义 ‎2、有关速度的方向 ‎3、每组数据三个比较 ‎4、得出结论：（看时间可让学生讨论，得出结论）‎ 结论：系统各部分的“mv”（矢量，要考虑方向）的总和是一个定值，所以我们给“mv”一个名称叫动量P。刚才的结论就是一个很重要的定律——动量守恒定律。这是个适用范围比牛顿定律还要广的定律。它不仅仅适用于一维碰撞，还适用于二维、三维，多个物体之间的作用，当然，它有一定的适用条件，具体我们要到后面详细研究。‎ 思考：有些情况下，系统“mv2”之和在碰撞前后相等，这能否给我们一些启示？‎ ‎ 提示：要是m1v12+m2v22= m1v1/2+m2v2/ 2两边同时乘以1/2呢？‎ 回顾玩具碰：为什么？‎ 4‎ ‎ ‎ 课后思考：满足什么样的条件，两个小球碰撞以后会交换速度？‎ 4‎