全国通用2018年高考物理考点一遍过专题31实验:验证动量守恒定律含解析201711023162.doc
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1、专题31 实验:验证动量守恒定律一、验证动量守恒定律实验方案1方案一实验器材:滑块(带遮光片,2个)、游标卡尺、气垫导轨、光电门、天平、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。实验情境:弹性碰撞(弹簧片、弹性碰撞架);完全非弹性碰撞(撞针、橡皮泥)。2方案二实验器材:带细线的摆球(摆球相同,两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。实验情境:弹性碰撞,等质量两球对心正碰发生速度交换。3方案三实验器材:小车(2个)、长木板(含垫木)、打点计时器、纸带、天平、撞针、橡皮泥、刻度尺等。实验情境:完全非弹性碰撞(撞针、橡皮泥)。4方案四实验器材:小球(2个)、斜槽、天平、重垂线、复写纸、白
2、纸、刻度尺等。实验情境:一般碰撞或近似的弹性碰撞。5不同方案的主要区别在于测速度的方法不同:光电门(或速度传感器);测摆角(机械能守恒);打点计时器和纸带;平抛法。还可用频闪法得到等时间间隔的物体位置,从而分析速度。二、验证动量守恒定律实验(方案四)注意事项1入射球质量m1应大于被碰球质量m2。否则入射球撞击被碰球后会被弹回。2入射球和被碰球应半径相等,或可通过调节放被碰球的立柱高度使碰撞时球心等高。否则两球的碰撞位置不在球心所在的水平线上,碰后瞬间的速度不水平。3斜槽末端的切线应水平。否则小球不能水平射出斜槽做平抛运动。4入射球每次必须从斜槽上同一位置由静止释放。否则入射球撞击被碰球的速度不
3、相等。5落点位置确定:围绕10次落点画一个最小的圆将有效落点围在里面,圆心即所求落点。6水平射程:被碰球放在斜槽末端,则从斜槽末端由重垂线确定水平射程的起点,到落地点的距离为水平射程。某同学利用气垫导轨上滑块间的碰撞来寻找滑块相互作用过程中的“不变量”,实验装置如图所示,实验过程如下(“+”、“”表示速度方向):(1)实验1:使m1=m2=0.25 kg,让运动的m1碰静止的m2,碰后两滑块分开,记录数据如表1。表1碰前碰后滑块m1滑块m2滑块m1滑块m2速度v(ms1)+0.11000+0.108根据实验数据可知,在误差允许范围内:碰前滑块的速度_(填“等于”或“不等于”)碰后滑块的速度;碰
4、前滑块的动能_(填“等于”或“不等于”)碰后滑块的动能;碰前滑块的质量与速度的乘积_(填“等于”或“不等于”)碰后滑块的质量与速度的乘积。(2)实验2:使m1=m2=0.25 kg,让运动的m1碰静止的m2,碰后两滑块一起运动,记录数据如表2。表2碰前碰后滑块m1滑块m2滑块m1滑块m2速度v(ms1)+0.1400+0.069+0.069根据实验数据可知,在误差允许范围内:碰前滑块的速度_(填“等于”或“不等于”)碰后滑块速度的矢量和;碰前滑块的动能_(填“等于”或“不等于”)碰后滑块动能的和;碰前滑块的质量与速度的乘积_(填“等于”或“不等于”)碰后滑块质量与速度乘积的矢量和。(3)实验3
5、:使2m1=m2=0.5 kg,让运动的m1碰静止的m2,碰后两滑块分开,记录数据如表3。表3碰前碰后滑块m1滑块m2滑块m1滑块m2速度v(ms1)+0.12000.024+0.070根据实验数据可知,在误差允许范围内:碰前滑块的速度_(填“等于”或“不等于”)碰后滑块速度的矢量和;碰前滑块的动能_(填“等于”或“不等于”)碰后滑块动能的和;碰前滑块的质量与速度的乘积_(填“等于”或“不等于”)碰后滑块质量与速度乘积的矢量和。(4)综上,滑块相互作用过程中的不变量可能为_。【参考答案】(1)等于 等于 等于 (2)等于 不等于 等于 (3)不等于 不等于 等于(4)质量和速度乘积的矢量和3(
6、3)从表3数据可知,碰前速度v1=0.120 m/s,碰后速度矢量和v2=(0.024+0.070)m/s=0.046 m/s,不相等;碰前动能Ek1=0.250.122 J=0.001 8 J,碰后的动能Ek2=(0.250.0242+0.50.072)J=0.001 3 J,碰撞前后动能不相等;碰前滑块质量与速度的乘积m1v1=0.250.12 kgm/s=0.03 kgm/s,碰后滑块质量与速度乘积的矢量和mv=(0.250.024+0.50.07)kgm/s=0.029 kgm/s,在误差允许范围内相等。(4)综上实验,碰撞前后只有滑块质量和速度乘积的矢量和始终相等。【名师点睛】探究碰
7、撞中的不变量实验与验证动量守恒定律实验的基本实验方案相似,但探究实验中“动量”可能是“未知”的物理量,故本实验中最后的结论中为“质量和速度乘积的矢量”。1图为验证动量守恒定律的实验装置,两个带有等宽遮光条的滑块A、B的质量分别为mA、mB,在A、B间锁定一压缩的轻弹簧,将其置于气垫导轨上。已知AC与BD的距离相等,遮光条的宽度为d。接通充气开关,解除弹簧的锁定,弹簧将两滑块沿相反方向弹开,光电门C、D记录下两遮光条通过的时间分别为t1和t2。(1)本实验需要调节气垫导轨水平,调节方案是_。(2)调节导轨水平后进行实验,若有关系式_,则说明该实验动量守恒。(3)某次实验未接通充气开关,锁定时弹簧
8、压缩的长度不变,光电门C、D记录下两遮光条通过的时间分别为t3和t4,两滑块与导轨间的动摩擦因数相同,若要测出该动摩擦因数,还需要测量的量是_。【答案】(1)接通充气开关,调节导轨使滑块能静止在导轨上 (2)(3)滑块到光电门的距离(或AC、BD之间的距离)(3)对滑块A有,对滑块B有,故还需测量滑块到光电门的距离。某同学设计了一个用打点计时器做“验证动量守恒定律”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所示,在小车A后连着纸带,电磁打点计时器电源频率为50 Hz,长木板下垫着小木片用以平衡摩
9、擦力。(1)若实验得到的纸带如图所示,并测得各计数点间距,则应选_段来计算A的碰撞前速度v0;应选_段来计算A和B碰后的共同速度v。(2)实验中测得小车A的质量mA=0.40 kg,小车B的质量mB=0.20 kg。则碰前:mAv0=_kgm/s;碰后:(mA+mB)v=_kgm/s。(计算结果保留三位有效数字)(3)由本次实验获得的初步结论是_。【参考答案】(1)BC DE (2)0.420 0.417 (3)在误差允许范围内,系统动量守恒(3)根据碰撞前后的动量关系可知在误差允许的范围内系统动量守恒。【名师点睛】使用纸带测量碰撞前后物体的速度时,要注意打点计时器从纸带的哪一端开始打点,由于
10、碰撞过程会经过一段时间,此段时间内,物体的速度是变化的,所以要注意判断纸带上各段过程的意义。1某同学利用打点计时器和气垫导轨做“探究动量是否守恒”的实验,气垫导轨装置如图甲所示,所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成。在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着一定数量的小孔,向导轨空腔内不断通入压缩空气,压缩空气会从小孔中喷出,使滑块稳定地漂浮在导轨上,如图乙所示,这样就大大减小因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差。(1)完善实验的主要步骤:安装好气垫导轨,调节气垫导轨的调节旋钮,使导轨水平,向气垫导轨中通入压缩空气;把打点计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧,将纸带穿过打点计时器越过弹射架并
11、固定在滑块1的左端,调节打点计时器的高度,直至滑块拖着纸带移动时,纸带始终在水平方向;滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳;把滑块2放在气垫导轨的中间;先_,然后_,让滑块带动纸带一起运动;取下纸带,重复步骤,选出较理想的纸带如图所示;测得滑块1(包括撞针)的质量为310 g,滑块2(包括橡皮泥)的质量为205 g。(2)已知打点计时器每隔0.02 s打一个点,计算可知,两滑块相互作用前动量之和为_kgm/s;两滑块相互作用后动量之和为_kgm/s。(保留三位有效数字)(3)试说明(2)中两结果不完全相等的主要原因是_。【答案】(1)接通打点计时器电源 放开滑块1 (2)0.620 0.618(
12、3)纸带与打点计时器限位孔间有摩擦所以碰前的总动量为0.620 kgm/s,碰后滑块1、2速度相等,均为,所以碰后总动量为。(3)结果不完全相等主要是因为纸带与打点计时器限位孔间有摩擦。图为“碰撞中的动量守恒”实验装置示意图。(1)入射小球1与被碰小球2直径相同,均为d,它们的质量相比较,应是m1_m2。(2)为了保证小球做平抛运动,必须调整斜槽使_。(3)继续实验的步骤为:A在地面上依次铺白纸和复写纸;B把球2放在立柱上,球1放在斜槽末端,调节立柱高度使球1、球2的球心等高,在球1正下方放下重垂线,确定重锤对应点O;C不放球2,让球1从斜槽滑下,确定它落地点位置P;D把球2放在立柱上,让球1
13、从斜槽滑上,与球2正碰后,确定球1和球2落地点位置M和N;E用刻度尺测量OM、OP、ON的长度;F看m1OM+m2ON与m1OP是否相等,以验证动量守恒。上述步骤有几步不完善或有错误,请指出并写出相应的正确步骤:_。【参考答案】(1) (2)其末端切线水平 (3)球1应每次从斜槽上相同的位置滑下;P、M、N点应该是多次实验落地点的平均位置;应看m1OM+m2(ONd)与m1OP是否相等【详细解析】(1)为了保证实验现象明显,小球1不会反弹,要满足m1m2。(2)要保证两个小球均要做平抛运动,必须调整斜槽使其末端切线水平。(3)球2的水平射程小于ON,实际为ONd。【名师点睛】用平抛法测量碰撞前
14、后的速度,使用末端带立柱的斜槽比只使用斜槽更准确,对两球的射程的测量误差更小。不使用立柱的情况,做实验时,一半会使用两个体积很小的球来碰撞。1某同学用如图1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,图中PQ是斜槽,QR为水平槽。实验时先使A球从斜槽上某一固定位置G由静止释放,落到位于水平地面的记录纸上,留下痕迹,重复操作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,使A球仍从位置G由静止开始运动,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,重复操作10次。图中O点是水平槽末端R在记录纸上的竖直投影点,B球落点痕迹如图2所示,其中米尺水平放置,且在G
15、、R、O所在竖直平面内,米尺的零点与O点对齐。(1)碰撞后B球的水平射程应取为_cm。(2)本次实验必须进行的测量是_。A测量A球与B球的质量B测量G点相对于水平槽面的高度C测量水平槽末端到O点的高度D水平槽上未放B球时,测量A球落点位置到O点的距离E测量A球与B球碰撞后,A球落点位置到O点的距离(3)某同学用一把有50个小等分刻度的游标卡尺测量小球的直径,由于遮挡,只能看见游标尺的后半部分,如图3所示,则示数为_mm;常用的测量仪器还有螺旋测微器,若某次测量示数如图4所示,则待测长度为_mm。【答案】(1)44.5(44.045.0均可) (2)ADE (3)16.96 6.125(6.12
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