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实验探究课八验证动量守恒定律
[学习目标]1.理解动量守恒定律成立的条件,会利用不同方案验证动量守恒定律。2.知道在不同实验方案中要测的物理量,会进行数据处理及误差分析。
实验方案
原理装置
实验步骤
方案一
利用气垫导轨完成碰撞实验
v=dΔt,d为滑块上挡光片的宽度,Δ
验证:m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2
1.测质量:用天平分别测出两滑块的质量。
2.安装:正确安装好气垫导轨。
3.测速:计算出两滑块碰撞前、后的速度。
方案二
利用斜槽末端小球的碰撞验证动量守恒定律
1.测小球的水平射程,连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度
2.验证:m1·OP=m1·OM+m2·ON
1.测质量:用天平分别测出两等大小球的质量,且保证m1>m2。
2.安装:调整固定斜槽使斜槽末端切线水平。
3.铺纸: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.找平均位置点:每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下,小球滚下10次,用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面,找出圆心;再将被碰小球放在图示位置处使其被入射小球碰撞后落下(入射小球的起始位置始终不变),经过10次碰撞后,用同样的方法分别找出入射小球和被碰小球落点所在最小圆的圆心。
5.测距离:用刻度尺分别量出O到所找出的三个圆心的距离。
注意
事项
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,应确保导轨水平。
(2)若利用平抛运动规律进行验证:
①斜槽末端的切线必须水平;
②入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放;
③选质量较大的小球作为入射小球且两球半径要相等;
④实验过程中实验桌、斜槽、记录的白纸的位置要始终保持不变。
教材原型实验
[典例1](2024·新课标卷)某同学用如图所示的装置验证动量守恒定律,将斜槽轨道固定在水平桌面上,轨道末段水平,右侧端点在水平木板上的垂直投影为O,木板上叠放着白纸和复写纸。实验时先将小球a从斜槽轨道上Q处由静止释放,a从轨道右端水平飞出后落在木板上;重复多次,测出落点的平均位置P与O点的距离xP。将与a半径相等的小球b置于轨道右侧端点,再将小球a从Q处由静止释放,两球碰撞后均落在木板上;重复多次,分别测出a、b两球落点的平均位置M、N与O点的距离xM、xN。
完成下列填空:
(1)记a、b两球的质量分别为ma、mb,实验中须满足条件ma________(选填“”或“”)mb;
(2)如果测得的xP、xM、xN、ma和mb在实验误差范围内满足关系式________________,则验证了两小球在碰撞中满足动量守恒定律。实验中,用小球落点与O点的距离来代替小球水平飞出时的速度。依据是_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
[解析](1)由于实验中须保证向右运动的小球a与静止的小球b碰撞后两球均向右运动,则实验中小球a的质量应大于小球b的质量,即mamb。
(2)对两小球的碰撞过程,由动量守恒定律有mav=mava+mbvb,由于小球从轨道右端飞出后做平抛运动,且小球落点与轨道右端的竖直高度相同,则结合平抛运动规律可知,小球从轨道右端飞出后在空中运动的时间相等,设此时间为t,则mavt=mavat+mbvbt,即maxP=maxM+mbxN。
[答案](1)(2)maxP=maxM+mbxN小球从轨道右端飞出后做平抛运动,且小球落点与轨道右端的竖直高度相同,结合平抛运动规律可知小球从轨道右端飞出后在空中运动的时间相等(合理即可)
[典例2]某实验小组利用气垫导轨验证动量守恒定律,实验装置如图所示。
(1)将滑块b放置在气垫导轨上,打开气泵,待气流稳定后,调节气垫导轨,直至观察到滑块b能在短时间内保持静止,说明气垫导轨已调至________。
(2)用天平测得滑块a、b质量分别为ma、mb。
(3)在滑块上安装配套的粘扣,并按图示方式放置两滑块。使滑块a获得向右的速度,滑块a通过光电门1后与静止的滑块b碰撞粘在一起,并一起通过光电门2,遮光条通过光电门1、2的时间分别为t1、t2,则上述物理量间如果满足关系式____________,则证明碰撞过程中两滑块的总动量守恒。
(4)本实验________(选填“需要”或“不需要”)测量遮光条的宽度。
[解析](1)将滑块b放置在气垫导轨上,打开气泵,待气流稳定后,调节气垫导轨,直至观察到滑块b能在短
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