《(浙江專版)2019版高考物理大一輪復習 第十二章 動量守恒定律 波粒二象性原子結(jié)構(gòu)與原子核 實驗19 探究碰撞中的不變量學案》由會員分享,可在線閱讀,更多相關《(浙江專版)2019版高考物理大一輪復習 第十二章 動量守恒定律 波粒二象性原子結(jié)構(gòu)與原子核 實驗19 探究碰撞中的不變量學案(8頁珍藏版)》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、
實驗19 探究碰撞中的不變量(加試)
[考綱解讀] (1)嘗試設計實驗方案,知道實驗需要測量的物理量和所需器材。(2)根據(jù)不同的實驗方案設計實驗記錄表,收集并正確記錄數(shù)據(jù)。(3)分析實驗數(shù)據(jù),得出實驗結(jié)論。
實驗原理
在一維碰撞中,測出物體的質(zhì)量m和碰撞前后物體的速度v、v′,找出碰撞前的動量p=m1v1+m2v2及碰撞后的動量p′=m1v1′+m2v2′,看碰撞前后動量是否守恒。
實驗器材
方案一:氣墊導軌、光電計時器、天平、滑塊(兩個)、重物、彈簧片、細繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等。
方案二:帶細線的擺球(兩套)、鐵架臺、天平、量角器、坐標紙、膠布等。
方
2、案三:光滑長木板、打點計時器、紙帶、小車(兩個)、天平、撞針、橡皮泥。
方案四:斜槽、小球(兩個)、天平、復寫紙、白紙等。
實驗步驟
方案一:利用氣墊導軌完成一維碰撞實驗(如圖所示)
1.測質(zhì)量:用天平測出滑塊質(zhì)量。
2.安裝:正確安裝好氣墊導軌。
3.實驗:接通電源,利用配套的光電計時裝置測出兩滑塊各種情況下碰撞前后的速度(①改變滑塊的質(zhì)量。②改變滑塊的初速度大小和方向)。
4.驗證:一維碰撞中的動量守恒。
方案二:利用等長懸線懸掛等大小球完成一維碰撞實驗(如圖所示)
1.測質(zhì)量:用天平測出兩小球的質(zhì)量m1、m2。
2.安裝:把兩個等大小球用等長懸線懸掛起來
3、。
3.實驗:一個小球靜止,拉起另一個小球,放下后它們相碰。
4.測速度:可以測量小球被拉起的角度,從而算出碰撞前對應小球的速度,測量碰撞后小球擺起的角度,算出碰撞后對應小球的速度。
5.改變條件:改變碰撞條件,重復實驗。
6.驗證:一維碰撞中的動量守恒。
方案三:在光滑桌面上兩車碰撞完成一維碰撞實驗(如圖所示)
1.測質(zhì)量:用天平測出兩小車的質(zhì)量。
2.安裝:將打點計時器固定在光滑長木板的一端,把紙帶穿
過打點計時器,連在小車的后面,在兩小車的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥。
3.實驗:接通電源,讓小車A運動,小車B靜止,兩車碰撞時撞針插入橡皮泥中,把兩小車連接成一體運動
4、。
4.測速度:通過紙帶上兩計數(shù)點間的距離及時間由v=算出速度。
5.改變條件:改變碰撞條件,重復實驗。
6.驗證:一維碰撞中的動量守恒。
數(shù)據(jù)處理
1.速度的測量
方案一:滑塊速度的測量:v=,式中Δx為滑塊擋光片的寬度(儀器說明書上給出,也可直接測量),Δt為數(shù)字計時器顯示的滑塊(擋光片)經(jīng)過光電門的時間。
方案二:擺球速度的測量:v=,式中h為小球釋放時(或碰撞后擺起的)高度,h可用刻度尺測量(也可由量角器和擺長計算出)。
方案三:小車速度的測量:v=,式中Δx是紙帶上兩計數(shù)點間的距離,可用刻度尺測量,Δt為小車經(jīng)過Δx的時間,可由打點間隔算出。
2.驗證的表達式
5、方案一、二、三:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。
注意事項
1.前提條件
碰撞的兩物體應保證“水平”和“正碰”。
2.方案提醒
(1)若利用氣墊導軌進行實驗,調(diào)整氣墊導軌時,注意利用水平儀確保導軌水平。
(2)若利用擺球進行實驗,兩小球靜止時球心應在同一水平線上,且剛好接觸,擺線豎直,將小球拉起后,兩條擺線應在同一豎直面內(nèi)。
(3)若利用長木板進行實驗,可在長木板下墊一小木片用以平衡摩擦力。
(4)若利用斜槽小球碰撞應注意:
①斜槽末端的切線必須水平;
②入射小球每次都必須從斜槽同一高度由靜止釋放;
③選質(zhì)量較大的小球作為入射小球;
④實驗過程中實驗桌、斜
6、槽、記錄的白紙的位置要始終保持不變。
3.探究結(jié)論
尋找的不變量必須在各種碰撞情況下都不改變。
考點一 實驗原理及實驗操作
1.(多選)在利用打點計時器探究碰撞中的不變量的實驗中,下列操作正確的是( )
A.相互作用的兩車上,一個裝上撞針,一個裝上橡皮泥,是為了改變兩車的質(zhì)量
B.相互作用的兩車上,一個裝上撞針,一個裝上橡皮泥,是為了使兩車碰撞后粘在一起
C.先接通打點計時器的電源,再釋放拖動紙帶的小車
D.先釋放拖動紙帶的小車,再接通打點計時器的電源
解析 改變小車的質(zhì)量可以加砝碼,裝上撞針和橡皮泥,這樣做是為了使兩車碰撞后粘在一起,有共同的速度,選項A錯誤,B正確;
7、打點計時器的使用原則是先接通電源,再釋放紙帶,選項C正確,D錯誤。
答案 BC
2.在做“驗證動量守恒定律”實驗時,入射球a的質(zhì)量為m1,被碰球b的質(zhì)量為m2,小球的半徑為r,各球的落地點如圖所示,下列關于這個實驗的說法正確的是( )
A.入射球與被碰球最好采用大小相同、質(zhì)量相等的小球
B.讓入射球與被碰球連續(xù)10次相碰,每次都要使入射小球從斜槽上不同的位置滾下
C.要驗證的表達式是m1·ON=m1·OM+m2·OP
D.要驗證的表達式是m1·OP=m1·OM+m2·ON
解析 在此裝置中,應使入射球的質(zhì)量大于被碰球的質(zhì)量,防止入射球反彈或靜止,故A錯誤;入射球每次必須從斜
8、槽的同一位置由靜止?jié)L下,保證每次碰撞都具有相同的初動量,故B錯誤;兩球做平拋運動時都具有相同的起點,故應驗證的關系式為:m1OP=m1·OM+m2·ON,D正確,C錯誤。
答案 D
3.(2017·湖州模擬)某同學用如圖所示裝置驗證動量守恒定律,用輕質(zhì)細線將小球1懸掛于O點,使小球1的球心到懸點O的距離為L,被碰小球2放在光滑的水平臺面上。將小球1從右方的A點(OA與豎直方向的夾角為α)由靜止釋放,擺到最低點時恰與小球2發(fā)生正碰,碰撞后,小球1繼續(xù)向左運動到C位置,小球2落到水平地面上到臺面邊緣水平距離為s的D點。
(1)實驗中已經(jīng)測得上述物理量中的α、L、s,為了驗證兩球碰撞過程動
9、量守恒,還應該測量的物理量有____________________________________________。
(2)請用測得的物理量結(jié)合已知物理量來表示碰撞前后小球1、小球2的動量p1=________;p1′=________;p2=________;p2′=________。
解析 根據(jù)機械能守恒定律計算碰前和碰后小球1的速度,根據(jù)平拋運動規(guī)律計算碰后小球2的速度,最后根據(jù)p=mv計算各個動量值。
答案 (1)小球1的質(zhì)量m1、小球2的質(zhì)量m2、桌面的高度h、OC與OB的夾角θ (2)m1 m1 0
4.用如圖所示的裝置也可以完成“探究碰撞中的不變量”實驗。
(1
10、)若實驗中選取的A、B兩球半徑相同,為了使A、B發(fā)生一維碰撞,應使兩球懸線長度________,懸點O1、O2之間的距離等于________。
(2)若A、B兩球的半徑不相同,利用本裝置能否完成實驗?如果你認為能完成,請說明如何調(diào)節(jié)?
解析 (1)為了保證一維碰撞,碰撞點應與兩球同在一條水平線上,故兩球懸線長度相等,O1、O2之間距離等于球的直徑。
(2)如果兩球的半徑不相等,也可完成實驗。調(diào)整裝置時,應使O1、O2之間距離等于兩球的半徑之和,兩球靜止時,球心在同一水平高度上。
答案 (1)相等 球的直徑 (2)見解析
考點二 數(shù)據(jù)處理及誤差分析
1.(多選)在利用氣墊導軌探究
11、碰撞中的不變量實驗中,可導致實驗誤差的因素是( )
A.導軌安放不水平 B.小車上擋光板傾斜
C.兩小車質(zhì)量不相等 D.兩小車碰后連在一起
解析 選項A中,導軌不水平,小車速度將受重力分力的影響,從而導致實驗誤差;選項B中,擋光板傾斜會導致?lián)豕獍鍖挾炔坏扔趽豕怆A段小車通過的位移,使計算速度出現(xiàn)誤差,而C、D中對探究不會造成誤差。
答案 AB
2.某同學設計了一個用電磁打點計時器驗證動量守恒定律的實驗:在小車A的前端粘有橡皮泥,推動小車A使之做勻速直線運動,然后與原來靜止在前方的小車B相碰并粘合成一體,繼續(xù)做勻速直線運動。他設計的裝置如圖甲所示。在小車A后連著紙帶,電磁打點計時器
12、所用電源頻率為50 Hz,長木板下墊著薄木片以平衡摩擦力。
(1)若已測得打點紙帶如圖乙所示,并測得各計數(shù)點間距(標在圖上),則應選________段來計算A碰前的速度。應選________段來計算A和B碰后的共同速度(選填“AB”或“BC”或“CD”或“DE”)。
(2)已測得小車A的質(zhì)量mA=0.4 kg,小車B的質(zhì)量為mB=0.2 kg。由以上測量結(jié)果可得:碰前mAvA=________kg·m/s;碰后(mA+mB)v共=________kg·m/s。由此得出的結(jié)論是____________________________________________________
__
13、________________________________________________________________。
(本題計算結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)
解析 (1)小車碰前做勻速直線運動,打出紙帶上的點應該是間距均勻的,故計算小車碰前的速度應選BC段。CD段上所打的點由稀變密,可見在CD段A、B兩小車相互碰撞。A、B碰撞后一起做勻速直線運動,所以打出的點又是間距均勻的,故應選DE段計算碰后的速度。
(2)碰撞前:vA== m/s=1.050 m/s,
碰撞后:vA′=vB′=v共== m/s=0.695 m/s。
碰撞前:mAvA=0.4×1.05 kg·m/s=0.
14、420 kg·m/s
碰撞后:(mA+mB)v共=0.60×0.695 kg·m/s=0.417 kg·m/s
由于0.420≈0.417
由此得出的結(jié)論是:在誤差允許的范圍內(nèi),一維碰撞過程中,兩物體的速度與質(zhì)量的乘積的和保持不變。
答案 (1)BC DE (2)0.420 0.417 結(jié)論見解析
3.(2017·金華模擬)在一次實驗中,某同學選用了兩個外形相同的硬質(zhì)小球A和B,小球A質(zhì)量較大,小球B質(zhì)量較小。該同學實驗發(fā)現(xiàn):若在水平面上用A球去撞擊原來靜止的B球,碰后A和B都向前運動;若用B球去撞擊原來靜止的A球,碰后A球向前運動,B球向后運動。為了探究碰撞中的不變量,該同學計劃用
15、如圖所示的圓弧槽進行實驗。實驗時,分別將小球M、N放在豎直平面內(nèi)的半圓形玻璃軌道內(nèi)側(cè)(軌道半徑遠大于小球半徑)?,F(xiàn)讓小球M從與圓心O等高處由靜止釋放,在底部與靜止的小球N發(fā)生正碰。
(1)實驗中,若實驗室里有如下所述的四個小球:
①半徑為r的玻璃球;
②半徑為2r的玻璃球;
③半徑為1.5r的鋼球;
④半徑為2r的鋼球。
為了便于測量,該同學M球應選用________,N球應選用________。(填編號)
(2)實驗中不用測量的物理量為________。
①小球M的質(zhì)量m1和小球N的質(zhì)量m2;
②圓弧軌道的半徑R;
③小球M碰后上升的最高處與O點連線偏離豎直方向的夾角
16、θ1;
④小球N碰后上升的最高處與O點連線偏離豎直方向的夾角θ2。
(3)用上述測得的物理量表示碰撞中的不變量的等式為:________。
解析 (1)兩球大小應該相同。為使N球不被撞出圓弧槽,由題意條件,要使M球質(zhì)量小于N球質(zhì)量。
(2)(3)根據(jù)機械能守恒,碰前m1gR=m1v
碰后:m1gR(1-cos θ1)=m1v1′2
m2gR(1-cos θ2)=m2v
碰撞過程,由動量守恒m1v1=m2v2-m1v1′
得m1=m2-m1,故圓弧軌道的半徑不用測量。
答案 (1)② ④ (2)② (3)m1=m2-m1
4.某同學用圖甲所示裝置通過半徑相同的A、B兩球的碰撞
17、來驗證mv的矢量和在碰撞中是守恒的。圖中PQ是斜槽,QR為水平槽。實驗時先使A球從斜槽上某一固定位置G由靜止開始滾下,落到位于水平地面的記錄紙上,留下痕跡,重復上述操作10次,得到10個落點痕跡。再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方,讓A球仍從位置G由靜止開始滾下,和B球碰撞后,A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點痕跡。重復這種操作10次。圖甲中O點是水平槽末端R在記錄紙上的垂直投影點,B球落點痕跡如圖乙所示,其中米尺水平放置,且放置方向平行于G、R、O所在的平面,米尺的零點與O點對齊。
(1)碰撞后B球的水平射程應取為________cm;
(2)在以下選項中,哪些是本次實驗必須進行
18、的測量________(填選項號)。
A.水平槽上未放B球時,測量A球落點位置到O點的距離
B.A球與B球碰撞后,測量A、B球落點位置到O點的距離
C.測量A球和B球的質(zhì)量(或兩球質(zhì)量之比)
D.測量G點相對水平槽面的高度
(3)實驗中,關于入射小球在斜槽上釋放點的高低對實驗影響的說法中正確的是( )
A.釋放點越低,小球所受阻力越小,入射小球速度越小,誤差越小
B.釋放點越低,兩球碰后水平位移越小,水平位移測量的相對誤差越小,兩球速度的測量越準確
C.釋放點越高,兩球相碰時,相互作用的內(nèi)力越大,碰撞前后動量之差越小,誤差越小
D.釋放點越高,入射小球?qū)Ρ慌鲂∏虻淖饔昧υ酱?,軌道對被碰小球的阻力越?
解析 (1)用圓規(guī)畫最小的圓把10個落點圈在里面,圓心位置就是小球落點平均位置。
(2)A、B選項測量了兩球平拋運動的水平射程,有了水平射程才能表示兩球在碰撞前后的速率,而質(zhì)量是必須測量的,所以必須測量的是A、B、C。
(3)入射小球的釋放點越高,入射小球碰前速度越大,相碰時內(nèi)力越大,阻力影響越小,可以較好地滿足動量守恒的條件,有利于減小誤差,故C正確。
答案 (1)64.7(64.2~65.2) (2)ABC (3)C
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