2018年度新的课标创新的人教物理选修3-5第十六章第1节实验∶探究碰撞中地不变量

一、实验目的

1．明确探究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

1．合理猜想不变量

在一维碰撞中，与物体运动有关的物理量只有物体的质量和物体的速度，设两个物体的质量分别为m 1、m 2，碰撞前的速度分别为v 1、v 2，碰撞后的速度分别为v ′1、v ′2。如果速度方向与规定的正方向一致，则速度取正值，否则取负值。

依据猜想与假设，依次研究以下关系是否成立：

(1)m 1v 1＋m 2v 2＝m 1v ′1＋m 2v ′2。

(2)m 1v 21＋m 2v 22＝m 1v ′21＋m 2v ′22。

(3)v 1m 1＋v 2m 2＝v ′1m 1＋v ′2m 2

。 ……

2．实验方案设计

方案一 利用气垫导轨实现一维碰撞。

实验装置如图所示。

(1)质量的测量：用天平测量滑块的质量m 1、m 2。

(2)速度的测量：利用公式v ＝Δx Δt

，式中Δx 为滑块(挡光片)的宽度，Δt 为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门对应的时间。测出A 碰前速度v 1和碰后A 、B 速度v ′1、v ′2。

(3)利用在滑块上增加重物的方法改变碰撞物体的质量。

方案二利用等长悬线悬挂等大的小球实现一维碰撞。

实验装置如图所示。

方案三利用小车在光滑桌面上碰撞另一静止小车实现一维碰撞，两小车碰撞端分别装上撞针和橡皮泥。

实验装置如图所示。

三、实验器材

方案一

气垫导轨、光电计时器、天平、滑块两个(带挡光片)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥。

方案二

带细线的小球(两套)、铁架台、天平、量角器、坐标纸、胶布等。

方案三

光滑长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、天平、撞针、橡皮泥。

四、实验步骤

无论采用哪种方案，实验过程均可按实验方案合理安排，参考步骤如下：

1．用天平测量两滑块的质量m1、m2，填入预先设计好的表格中。

2．安装实验装置。

3．使物体发生碰撞。

4．测量或读出相关物理量，计算有关速度，填入预先设计好的表格中。

5．改变碰撞条件，重复步骤3、4。

6．整理实验器材。

五、数据处理

1．实验中记录数据用的表格：

2.通过分析比较，找出碰撞中的“不变量”得出实验结论。

六、注意事项

1．保证两物体发生的是一维碰撞，即两个物体碰撞前沿同一直线运动，碰撞后仍沿同一直线运动。

2.气垫导轨是一种精度较高的现代化教学仪器。切忌振动、重压，严防碰伤和划伤，绝对禁止在不通气的情况下将滑行器在导轨面上滑磨。

3．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。

4．利用摆球进行实验时，可以将实验仪器靠在一个大型的量角器上，这样可以较准确地读出小球摆动的角度，以减小误差。

5．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面内。

七、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，设计实验方案时应保证碰撞为一维碰撞。

(2)碰撞中其他力(例如：摩擦力、空气阻力等)的影响带来的误差。实验中要合理控制实验条件，避免除碰撞时相互作用力外的其他力影响物体速度。

2．偶然误差

主要来源于质量和速度的测量。

[典型例题]

例1.如图所示为气垫导轨上两个滑块A、B相互作用后运动过程的频闪照片，频闪的频率为10 Hz。开始时两个滑块静止，它们之间有一根被压缩的轻弹簧，滑块用绳子连接，绳

子烧断后，两个滑块向相反方向运动。已知滑块A、B的质量分别为200 g、300 g，根据照片记录的信息，A、B离开弹簧后，A滑块做________运动，其速度大小为________m/s，本实验中得到的结论是

_______________________________________________________________________________ _

_______________________________________________________________________________。

[解析]碰撞前：v A＝0，v B＝0，所以有m A v A＋m B v B＝0

碰撞后：v′A＝0.09 m/s，v′B＝0.06 m/s

规定向右为正方向：m A v′A＋m B v′B＝0.2×(－0.09) kg·m/s＋0.3×0.06 kg·m/s＝0

则由以上计算可知：m A v A＋m B v B＝m A v′A＋m B v′B

[答案]匀速0.09碰撞前后滑块A、B的质量与速度乘积的矢量和为不变量

[点评]

1．频闪照片可以记录滑块A、B运动的位移和时间，从而计算滑块的速度。

2．碰撞涉及的物理量为矢量，因此要规定正方向，与规定正方向相同的数据为正，与规定正方向相反的数据为负。

3．对比碰撞前后的状态量，通过分析得出实验结论。

[典型例题]

例2.(2016·揭阳高二检测)某同学运用以下实验器材，设计了一个碰撞实验来寻找碰撞前后的不变量：打点计时器、低压交流电源(频率为50 Hz)、纸带、表面光滑的长木板、带撞针的小车A、带橡皮泥的小车B、天平。

该同学设计的实验步骤如下：

A．用天平测出小车A的质量为m A＝0.4 kg，小车B的质量为m B＝0.2 kg

B．更换纸带重复操作三次

C．小车A靠近打点计时器放置，在车后固定纸带，把小车B放在长木板中间

D．把长木板平放在桌面上，在一端固定打点计时器，连接电源

E．接通电源，并给小车A一定的初速度v A

(1)请将以上步骤按操作的先后顺序排列出来________。

(2)打点计时器打下的纸带中，比较理想的一条如图所示，根据这些数据完成表格。