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1.4 实验:验证动量守恒定律
m1v1′+ m2v2′= m1v1+ m2v2
六、误差分析
1.系统误差:主要来源于装置本身是否符合要求,即:
(1)碰撞是否为一维碰撞.
(2)实验中是否合理控制实验条件,如气垫导轨是否水平,两球是否等大,长木板实验是否平衡摩擦力.
2.偶然误差:主要来源于对质量m和速度v的测量.
七、注意事项
1.前提条件:碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”.
1.4 实验:验证动量守恒定律
一、实验目的
1.掌握动量守恒定律适用范围。2.会用实验验证动量守恒定律。
二、实验原理
1.碰撞中的特殊情况——一维碰撞
两个物体碰撞前沿同一直线运动,碰撞后仍沿这条直线运动.
2.两个物体在发生碰撞时,作用时间很短。根据动量定理,它们的相互作用力很大。如果把这两个物体看作一个系统,那么,虽然物体还受到重力、支持力、摩擦力、空气阻力等外力的作用,但是这些力与系统内两物体的相互作用力相比很小,在可以忽略这些外力的情况下,使系统所受外力的矢量和近似为0,因此,碰撞满足动量守恒定律的条件。
3.(多选)在用打点计时器做“探究碰撞中的不变量”实验时,下列哪些操作是正确的 ( )
A.相互作用的两车上,一个装上撞针,一个装上橡皮泥,是为了改变两车的质量
B.相互作用的两车上,一个装上撞针,一个装上橡皮泥,是为了碰撞后粘在一起
C.先接通打点计时器的电源,再释放拖动纸带的小车
D.先释放拖动纸带的小车,再接通打点计时器的电源
(1)OP=________.
(2)已知mA∶mB=2∶1,碰撞过程中动量守恒,则由图可以判断出R是________球的落地点,
P是________球的落地点.
(3)用题中的字母写出动量守恒定律的表达式_______________________________________.
(4)在以下选项中,哪些是本次实验必须进行的测量?答:____(填选项序号)。
A.水平槽上未放b球时,测量a球落点位置到O点的距离x1
B.a球与b球碰撞后,分别测量a球和b球的落点位置到O点的距离x2、x3
C.测量a球或b球的直径d
D.测量a球和b球的质量ma、mb(或两球质量之比)
E.测量G点相对于水平槽面的高度H
(5)实验必须满足的条件是_________(填选项的符号)。
的速度之比就等于它们落地时飞行的水平距离之比。
(4)用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面。圆心就是小球落点的平均位置。
(5)每次让入射小球从斜槽同一高度自由滚下,使它们发生碰。
四、实验步骤
不论采用哪种方案,实验过程均可按实验方案合理安排,参考步骤如下:
1.用天平测量相关碰撞物体的质量m1、m2.
(3)利用在滑块上增加重物的方法改变碰撞物体的质量.
(4)碰撞的实现:两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥.
实验器材:气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、弹簧、细线、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等.
实验过程:
(1)测质量:用天平测出小车的质量m1、m2。
(2)安装:正确安装好光电计时器和滑轨。
(2)若已获得的打点纸带如图乙所示,A为运动的起点,各计数点间距分别记为AB、BC、CD和DE,用天平测得A、B两车的质量分别为mA、mB,则需验证的表达式为_____________________________________.
6.某同学用如图所示装置通过半径相同的A、B两球的碰撞来验证动量守恒定律.实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止开始滚下,落到位于水平地面的记录纸上,留下痕迹.重复上述操作10次,得到10个落点痕迹.再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方,让A球仍从位置G由静止开始滚下,和B球碰撞后,A、B球分别在记录纸上留下各自的落点痕迹.重复这种操作10次,得到了如图所示的三个落地点.
3.物理量的测量
需要测量物体的质量,以及两个物体发生碰撞前后各自的速度。物体的质量可用天平直接测量。速度的测量可以有不同的方式,根据所选择的具体实验方案来确定。
三、实验方案设计
方案一:用气垫导轨完成两个滑块的一维碰撞,实验装置如图所示:
(1)质量的测量:用天平测量质量.
(2)速度的测量:利用公式v= ,式中Δx为滑块(挡光片)的宽度,Δt为计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门时对应的时间.
2.方案提醒:
(1)若利用气垫导轨进行实验,调整气垫导轨时,注意利用水平仪确保导轨水平.
(2)若利用摆球进行实验,两小球静止时球心应在同一水平线上,且刚好接触,摆线竖直,将小球拉起后,两条摆线应在同一竖直平面内.
(3)若利用长木板进行实验,可在长木板的一端下垫一小木片用以平衡摩擦力.
练习:
1.某同学设计了一个用打点计时器“探究碰撞中的不变量”的实验,在小车A的前端粘有橡皮泥,设法使小车A做匀速直线运动,然后与原来静止的小车B相碰并黏在一起继续做匀速运动,如图所示.在小车A的后面连着纸带,电磁打点计时器的频率为50 Hz.
(1)若已得到打点纸带如图所示,并测得各计数点间的距离.则应选图中__________段来计算A碰前的速度,应选________段来计算A和B碰后的速度.
(2)已测得小车A的质量mA=0.40 kg,小车B的质量mB=0.20 kg,则由以上结果可得碰前mAvA+mBvB=______kg·m/s,碰后mAvA′+mBvB′=______kg·m/s.
A.斜槽轨道必须是光滑的
B.斜槽轨道末端的切线是水平的
C.入射小球每次都要从同一高度由静止滚下
D.若入射小球的质量为m1,被碰小球的质量为m2,则m1>m2
答案:1.(1)BCDE(2)0.420 0.417 (3)能;2.0.40碰前A的速度、A的质量及B的质量
3.BC4.0.6 0.45.(1)平衡摩擦力(2)mA·BC=(mA+mB)·DE
(4)填写实验表格。
碰撞前
碰撞后
质量
m1=
m2=
m1=
m2=
速度
v1=
v2=
v1′=
v2′=
方案二:研究两个小球在斜槽末端发生碰撞,实验装置如图:
(1)将斜槽固定在铁架台上,使槽的末端水平。让一个质量较大的小球(入射小球)从斜槽上滚下,跟放在斜槽末端的另一个大小相同、质量较小的小球(被碰小球)发生正碰。
2.安装实验装置.
3.使物体发生一维碰撞.
4.测量或读出碰撞前后相关的物理量,计算对应的速度.
5.改变碰撞条件,重复步骤3、4.
6.进行数据处理,通过分析比较,找出碰撞中的“不变量”.
7.整理器材,结束实验.
五、数据处理
将实验中测得的物理量填入表表,填表时需注意物体碰撞后运动的速度与原来的方向相反的情况。分别计算出两物体碰撞前后的总动量,并检验碰撞前后总动量的关系是否满足动量守恒定律,即
(2)使入射小球从斜槽不同高度处滚下,测出两球的质量以及它们每次碰撞前后的速度,就可以验证动量守恒定律。
(3)两个小球碰撞前后瞬间的速度方向都是水平的,
因此,两球碰撞前后的速度,可以利用平抛运动的知识求出。
在这个实验中也可以不测量速度的具体数值。做平抛运动的小球落到地面,它们的下落高度相同,飞行时间也就相同。因此,小球碰撞后
(3)从实验数据的处理结果来看,A、B碰撞的过程中,能否验证动量守恒定律?
2.某同学在“探究碰撞中的不变量”实验中,采用如图甲所示的实验装置,在已经平衡过摩擦力的轨道上,停着A、B两小车,A车系一穿过打点计时器(打点频率为50 Hz)的纸带,在启动计时器后,给A车沿轨道方向的初速度,A车运动一段距离后,与静止的B车发生正碰,由于两车相撞处装有尼龙拉扣(图中未画出),两车立即粘在一起继续运动,纸带记录下碰撞前A车和碰撞后两车的运动情况如图乙所示,则可测出碰撞后两车的速度为________m/s(结果保留两位有效数字);为完成实验,他还需要测量的物理量有________.
5.某同学设计了一个用打点计时器“探究碰撞中的不变量”的实验:在小车A的前端粘有橡皮泥,在小车A后连着纸带,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,他设计的具体装置如图甲所示.
(1)长木板右端下面垫放一小木片的目的是_____________________________________________.
6.(1)用最小的圆把所有落点圈在里面,圆心即为落点的平均位置 13.0 cm (2)BA(3)mA·OQ=mA·OP+mB·OR(4)ABD(5)BCD
(3)实验:接通电源,让质量小的小车在两个光电门之间,给质量大的小车一个初速度去碰撞质量小的小车,利用配套的光电计时器测出两个小车各种情况下碰撞前后的速度v1、v1′、v2′。
本实验可以研究以下几种情况。
a.选取两个质量不同的滑块,在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架,滑块碰撞后随即分开。
b.在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥,碰撞时撞针插入橡皮泥中,使两个滑块连成一体运动。
4.如图甲所示,在水平光滑轨道上停着甲、乙两辆实验小车,甲车上系有一穿过打点计时器的纸带,当甲车获得水平向右的速度时,随即启动打点计时器.甲车运动一段距离后,与静止的乙车发生正碰并粘在一起运动,纸带记录下碰撞前甲车和碰撞后两车的运动情况,如图乙所示,电源频率为50 Hz,则碰撞前甲车速度大小为______m/s,碰撞后两车的共同速度大小为________m/s.
如果在两个滑块的碰撞端分别贴上尼龙拉扣,碰撞时它们也分开,这也可视为一种碰撞。这种情况可以通
过下面的方式实现:在两个滑块间放置轻质弹簧,挤压两个滑块使弹簧压缩,并用一根细线将两个滑块固定。烧断细线,弹簧弹开后落下,两个滑块由静止向相反方向运动。