高中物理 第十六章 动量守恒定律 1 实验:探究碰撞中的不变量课堂导引素材 新人教版选修3-5(通用)

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高中物理 第十六章 动量守恒定律 1 实验:探究碰撞中的不变量课堂导引素材 新人教版选修3-5(通用)

‎1 实验:探究碰撞中的不变量 ‎ 互动课堂 疏导引导 一、实验目的 探究一维碰撞中的不变量.‎ 二、实验思路 设置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,也就是保证两物体做一维碰撞.‎ 在一维碰撞的情况下,与物体运动有关的物理量只有物体的质量和物体的速度.设两个物体的质量分别为m1、m2,碰撞前的速度分别为v1、v2,碰撞后的速度分别为v1′、v2′.‎ 碰撞可能有很多情形:‎ ‎(1)两个质量相同的物体相碰撞.‎ ‎(2)两个质量相差悬殊的物体相碰撞.‎ ‎(3)两个速度大小相同、方向相反的物体相碰撞,一个运动物体与一个静止物体相碰撞等等.‎ ‎(4)两个物体碰撞时可能碰后分开,也可能粘在一起不再分开等.‎ 寻找的不变量的特点是:在各种碰撞的情况下都不改变.‎ 碰撞前后不变的物理量可能有以下几种情况:‎ ‎(1)m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′‎ ‎(2)m1v12+m2v22=m1v1′2+m2v2′2‎ ‎(3)‎ 三、需要考虑的问题 ‎1.保证发生一维碰撞 可以利用凹槽或气垫导轨限定运动在同一直线上进行,如课本参考案例一.‎ ‎2.质量的测量 利用天平.‎ ‎3.速度的测量 可以利用运动规律,如利用匀速运动中位移、速度、时间关系s=vt求速度,也可以利用物体带动纸带运动,通过纸带上打点计时器所打点迹来分析计算速度.‎ 四、实验数据的处理 分别测出碰撞前后各物体的质量和速度后,通过归纳比较然后确定碰撞中的不变量.‎ 为了数据处理方便以及简明起见,可以设计出表格,在表格中列出碰撞前后各物体的质量、速度以及mv之和、mv2之和与之和,然后进行观察、比较.下面的表格为参考表格.‎ 碰撞前 碰撞后 质量 m1‎ m2‎ m1‎ m2‎ 速度 v1‎ v2‎ v1′‎ v2′‎ mv m1v1+m2v2‎ m1v1′+m2v2′‎ mv2‎ m1v12+m2v22‎ m1v1′2+m2v2′2‎ ‎…‎ ‎…‎ ‎…‎ 五、实验结论 经过验证后可知,在误差允许的范围内,碰撞前后不变的量是物体的质量与速度的乘积,即m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′.‎ 活动巧用 ‎【例1】 A、B两滑块在同一光滑的水平直导轨上相向运动发生碰撞(碰撞时间极短),用闪光相机照相,闪光4次摄得的闪光照片如图16-1-1所示,已知闪光的时间间隔为Δts,而闪光本身持续时间极短,在这4次闪光的瞬间,A、B两滑块均在0~‎80 cm刻度范围内,且第一次闪光时,滑块A恰好通过x=‎55 cm处,滑块B恰好通过x=‎70cm处,问:‎ 图16-1-1‎ ‎(1)碰撞发生在何处?‎ ‎(2)碰撞发生在第一次闪光后多少时间?‎ ‎(3)两滑块的质量之比等于多少?‎ 思路解析:(1)据题意可判定:碰撞发生在第1、2两次闪光时刻之间,碰撞后B静止,故碰撞发生在x=‎60 cm处.①‎ ‎(2)碰撞后A向左做匀速运动,设其速度为vA′,vA′Δt=‎20 cm②‎ 从碰撞到第二次闪光时A向左运动‎10 cm,时间为t′,有vA′t′=‎10 cm③‎ 设第一次闪光到发生碰撞时间为t,有:‎ t+t′=Δt④‎ 由②③④可得:t=Δt/2 s.⑤‎ ‎(3)取向右为正方向 碰撞前:A的速度cm/s⑥‎ B的速度cm/s⑦‎ 碰撞后:A的速度cm/s⑧‎ B的速度⑨‎ 在碰撞过程中,‎ mAvA+mBvB=mAvA′+mBvB′⑩‎ 由⑥⑦⑧⑨⑩可得:ma∶mb=2∶3.‎ 答案:(1)碰撞发生在x=‎60 cm处 (2) (3)2∶3‎ ‎【例2】 如图16-1-2(乙)所示,某同学设计了一个用打点计时器探索碰撞中不变量的实验: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.他设计的具体装置如图所示.在小车A后面连着纸带,电磁打点计时器的电源频率为50 Hz,长木板下垫着小木片用以平衡摩擦力.‎ ‎(甲)‎ ‎(乙)‎ 图16-1-2‎ ‎(1)若已得到打点纸带如图16-1-2(甲)所示,并将测得的各计数点间距标在图上,A为运动起始的第一点.则应选段计算A碰前的速度,应选段计算A和B碰后的共同速度.(填“AB”或“BC”、“CD”或“DE”)‎ ‎(2)已测得小车A的质量m1=‎0.40 kg,小车B的质量m2=‎0.20 kg,由以上测量结果可得:碰前m1v1为______________kg·m/s,碰后(m1+m2)v为_______________kg·m/s.‎ ‎(3)通过以上实验及计算结果,你能得出什么结论?‎ 思路解析:(1)应选择小车运动稳定时的纸带来计算速度,故应选BC段计算A碰前的速度,选DE段计算A和B碰后的共同速度.‎ ‎(2)碰前A的速度,m1v1=0.40×‎1.05 kg·m/s=‎0.42 kg·m/s;‎ 碰后A和B的共同速度,(m1+m2)v2=(0.40+0.20)×‎0.695 kg·m/s=‎0.417 kg·m/s.‎ ‎(3)通过计算分析,在误差允许的范围内,小车A、B碰撞前后“mv”这一物理量恒定不变.‎
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