2018高中物理第一章碰撞与动量守恒1.7实验：探究动量守恒定律教科选修3-5

图6
实验测得滑块 A 的质量 m1＝0.310 kg，滑块 B 的质量 m2＝0.108 kg， 遮光片的宽度 d＝1.00 cm；打点计时器所用交流电的频率 f＝50.0 Hz. 将光电门固定在滑块 B 的右侧，启动打点计时器，给滑块 A 一向右 的初速度，使它与 B 相碰．碰后光电计时器显示的时间为 ΔtB＝3.500 ms，碰撞前后打出的纸带如图(b)所示．
图1
(1)质量的测量：用 天平 测量．
(2)速度的测量：用 光电计时器 测量．
设 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)经过光电门的
图2
时间，则 v＝ΔΔxt .
预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
问题1 问题2 问题3
实验步骤 1．如图2所示调节气垫导轨，使其水平．是否水平可按如下方法
图7
(1)下面是实验的主要步骤： ①安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平； ②向气垫导轨通入压缩空气； ③接通光电计时器； ④把滑块2静止放在气垫导轨的中间； ⑤滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳； ⑥释放滑块1，滑块1通过光电门1后与左侧固定弹簧的滑块2 碰撞，碰后滑块1和滑块2依次通过光电门2，两滑块通过光 电门后依次被制动；
图4
5．如图5所示，在滑块上安装好撞针及橡皮泥，将装有橡皮 泥的滑块停在两光电门之间，装有撞针的滑块从一侧经 过光电门后两滑块碰撞，一起运动经过另一光电门，测 出两滑块的质量和速度，将实验结果记入相应表格中．
图5
6．根据上述各次碰撞的实验数据寻找物体碰撞中动量变化 的规律． 气垫导轨实验数据记录表
⑥
设两滑块在碰撞前后的动量分别为 p 和 p′，则
p＝m1v0
⑦
p′＝m1v1＋m2v2
⑧
两滑块在碰撞前后总动量相对误差的绝对值为
δγ＝|p－pp′|×100%
⑨
联立③④⑥⑦⑧⑨式并代入有关数据，
可得：δγ＝1.7%<5%
⑩
因此，本实验在允许的误差范围内验证了动量守恒定律．
【例2】 某同学利用气垫导轨做“探究碰撞中的动量变化 规律”的实验，气垫导轨装置如图7所示，所用的气垫导 轨装置由导轨、滑块、弹射架、光电门等组成．
质量m(kg) 速度v(m·s－1) mv(kg·m·s－1)
结论
碰撞(烧断)前
m1
m2
v1
v2
m1v1＋m2v2
碰撞(烧断)后
m1
m2
v1′
v2′
m1v1′＋m2v2′
实验结论：碰撞前后两滑块的动量之和保持不变．
典例分析 【例1】 现利用图6(a)所示的装置验证动量守恒定律．在图(a)
中，气垫导轨上有A、B两个滑块，滑块A右侧带有一弹簧片， 左侧与打点计时器(图中未画出)的纸带相连；滑块B左侧也带 有一弹簧片，上面固定一遮光片，光电计时器(未完全画出)可 以记录遮光片通过光电门的时间．
(2)数据处理与实验结论： ①实验中气垫导轨的作用是： A._______________________________________________， B．__________________________. ②碰撞前滑块1的速度v1为________m/s；碰撞后滑块1的速 度v2为________m/s；滑块2的速度v3为________m/s；(结果 保留两位有效数字) ③在误差允许的范围内，通过本实验，同学们可以探究出碰 撞前后系统的总动量和总动能如何变化？通过对实验数据的 分析说明理由． a．________________________； b．________________________.
7 实验：探究动量守恒定律
[目标定位] 1.明确探究物体碰撞中动量变化规律的基本思 路.2.掌握直线运动物体速度的测量方法.
猜想与假设 为了使问题简化，这里研究两个物体的碰撞，且碰撞前 两物体沿同一直线运动，碰撞后仍沿这一直线运动． 设两个物体的质量分别为m1、m2，碰撞前的速度分别为 v1、v2，碰撞后的速度分别为v1′、v2′，如果速度与我们 规定的正方向相同取正值，相反取负值． 根据实验求出两物体碰前动量p＝m1v1＋m2v2，碰后动量 p′＝m1v1′＋m2v2′，看p与p′是否相等，从而验证动量守恒 定律．
T＝1f＝0.02 s
②
设在 A 碰撞前后瞬时速度大小分别为 v0、v1，将②式和图给实验数 据代入①式可得：
v0＝4.000×.0210－2 m/s＝2.00 m/s
③
v1＝1.940×.0210－2 m/s＝0.970 m/s
④
设 B 在碰撞后的速度大小为 v2，由①式有 v2＝ΔdtB
⑤
代入题所给的数据可得：v2＝2.86 m/s
⑦读出滑块通过两个光电门的挡光时间分别为滑块1通过光 电门1的挡光时间Δt1＝10.01 ms，通过光电门2的挡光时间Δt2 ＝49.99 ms，滑块2通过光电门2的挡光时间Δt3＝8.35 ms； ⑧测出挡光片的宽度d＝5 mm，测得滑块1(包括撞针)的质量 为m1＝300 g，滑块2(包括弹簧)质量为m2＝200 g；
碰撞前后总动量之差 若实验允许的相对误差绝对值(| 碰前总动量 |×100%)最大 为 5%，本实验是否在误差范围内验证了动量守恒定律？写出运算 过程．
答案 见解析
解析 滑块运动的瞬时速度大小 v 为
v＝ΔΔst
①
式中 Δs 为滑块在时间 Δt 内走过的路程．
设纸带上打出相邻两点的时间间隔为 T，则
实验设计 实验设计需要考虑的问题： (1)如何保证碰撞前后两物体速度在一条直线上． (2)如何测定碰撞前、后两物体的速度．
实验案例 气垫导轨上的实验 气垫导轨、气泵、光电计时器、天平等． 气垫导轨装置如图1所示，由导轨、滑块、挡光片、光电 门等组成，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2所示， 图中气垫层的厚度放大了很多倍)，这样大大减小了由摩擦 产生的影响．
检查：打开气泵后，导轨上的滑块应该能保持静止． 2．按说明书连接好数字计时器与光电门． 3．如图3所示Fra Baidu bibliotek把中间夹有弯形弹簧片的两滑块置于光电门中间
保持静止，烧断拴弹簧片的细线，测出两滑块的质量和速度， 将实验结果记入设计好的表格中．
图3
4．如图4所示，在滑块上安装好弹性碰撞架．将两滑块从左、 右以适当的速度经过光电门后在两光电门中间发生碰撞， 碰撞后分别沿各自碰撞前相反的方向运动再次经过光电 门，光电计时器分别测出两滑块碰撞前后的速度．测出 它们的质量后，将实验结果记入相应表格中．