[人教版]高中物理选修3-5教学案全集(30份) 下载本文

第1节实验:探究碰撞中的不变量

一、实验目的

1.明确探究物体碰撞中的不变量的基本思路。 2.探究一维碰撞中的不变量。 二、实验原理

在一维碰撞中,测出物体的质量m和碰撞前后物体的速度v、v′,找出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p′=m1v1′+m2v2′,看碰撞前后动量是否守恒。

[实验方案一] 利用气垫导轨完成一维碰撞实验 [实验器材]

气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。

图16-1-1

[实验步骤]

1.测质量:用天平测出滑块质量。 2.安装:正确安装好气垫导轨。

3.实验:接通电源,利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度(①改变滑块的质量。②改变滑块的初速度大小和方向)。

4.验证:一维碰撞中的动量守恒。 [数据处理]

1.滑块速度的测量:v=

Δx

,式中Δx为滑块挡光片的宽度(仪器说明书上给出,也可Δt

直接测量),Δt为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间。

2.验证的表达式:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′

[实验方案二] 利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验

[实验器材] 带细线的摆球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。 [实验步骤]

1.测质量:用天平测出两小球的质量m1、m2。 2.安装:把两个等大小球用等长悬线悬挂起来。

3.实验:一个小球静止,拉起另一个小球,放下时它们相碰。

图16-1-2

4.测速度:可以测量小球被拉起的角度,从而算出碰撞前对应小球的速度,测量碰撞后小球摆起的角度,算出碰撞后对应小球的速度。

5.改变条件:改变碰撞条件,重复实验。 6.验证:一维碰撞中的动量守恒。 [数据处理]

1.摆球速度的测量:v=2gh,式中h为小球释放时(或碰撞后摆起的)高度,h可用刻度尺测量(也可由量角器和摆长计算出)。

2.验证的表达式:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′ [实验方案三] 在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验

[实验器材] 光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥。

图16-1-3

[实验步骤]

1.测质量:用天平测出两小车的质量。

2.安装:将打点计时器固定在光滑长木板的一端,把纸带穿过打点计时器,连在小车的后面,在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥。

3.实验:接通电源,让小车A运动,小车B静止,两车碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两小车连接成一体运动。

4.测速度:通过纸带上两计数点间的距离及时间由v=5.改变条件:改变碰撞条件,重复实验。

Δx

算出速度。 Δt

6.验证:一维碰撞中的动量守恒。 [数据处理]

1.小车速度的测量:v=

Δx

,式中Δx是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量,Δt

Δt为小车经过Δx的时间,可由打点间隔算出。

2.验证的表达式:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′

[实验方案四] 利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律 [实验器材] 斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等。

图16-1-4

[实验步骤]

1.测质量:用天平测出两小球的质量,并选定质量大的小球为入射小球。 2.安装:按照图16-1-4所示安装实验装置。调整固定斜槽使斜槽底端水平。 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.放球找点:不放被撞小球,每次让入射小球从斜槽上某固定高度处自由滚下,重复10次。用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面。圆心P就是小球落点的平均位置。

5.碰撞找点:把被撞小球放在斜槽末端,每次让入射小球从斜槽同一高度自由滚下,使它们发生碰撞,重复实验10次。用步骤4的方法,标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N。如图16-1-5所示。

图16-1-5

6.验证:连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度。将测量数据填入表中。最后代入m1·OP=m1·OM+m2·ON,看在误差允许的范围内是否成立。

7.结束:整理好实验器材放回原处。

[数据处理] 验证的表达式:m1·OP=m1·OM+m2·ON 三、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,应注意利用水平仪确保导轨水平。 (2)若利用摆球进行验证,两摆球静止时球心应在同一水平线上,且刚好接触,摆线竖直,将摆球拉起后,两摆线应在同一竖直面内。

(3)若利用两小车相碰进行验证,要注意平衡摩擦力。

(4)若利用平抛运动规律进行验证,安装实验装置时,应注意调整斜槽,使斜槽末端水平,且选质量较大的小球为入射小球。

四、误差分析

1.系统误差:主要来源于装置本身是否符合要求。 (1)碰撞是否为一维。

(2)实验是否满足动量守恒的条件,如气垫导轨是否水平,两球是否等大,用长木板实验时是否平衡掉摩擦力。

2.偶然误差:主要来源于质量m和速度v的测量。

[例1] 利用如图16-1-6所示的实验装置,可探究碰撞中的不变量,由于小球的下落高度是定值,所以,小球落在地面上的水平位移就代表了平抛运动时水平初速度的大小,这样碰前速度和碰后速度就可以用平抛运动的水平位移来表示。

图16-1-6

(1)(多选)为了尽量准确找到碰撞中的不变量,以下要求正确的是________。 A.入射小球的半径应该大于被碰小球的半径 B.入射小球的半径应该等于被碰小球的半径 C.入射小球每次应该从斜槽的同一位置由静止滑下 D.斜槽末端必须是水平的

(2)(多选)关于小球的落点,下列说法正确的是________。

A.如果小球每次从斜槽的同一位置由静止滑下,重复几次的落点一定是完全重合的 B.由于偶然因素存在,重复操作时小球的落点不会完全重合,但是落点应当比较密集 C.测定落点P的位置时,如果几次落点的位置分别为P1、P2、…Pn,则落点的平均OP1+OP2+…+OPn

位置OP= n

D.尽可能用最小的圆把各个落点圈住,这个圆的圆心位置就是小球落点的平均位置 [解析] (1)只有两个小球的半径相等,才能保证碰后小球做平抛运动,所以A错误,B