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新人教版 选择性必修一
第一章 动量守恒定律
第4节 验证动量守恒定律
二、光的折射
学习任务一：实验思路
1.两个物体在发生碰撞时，作用时间很短。根据动量定理，它们的相互作用力很大。如果把这两个物体看作一个系统，那么，虽然物体还受到重力、支持力、摩擦力、空气阻力等外力的作用，但是有些力的矢量和为0，有些力与系统内两物体的相互作用力相比很小。因此，在可以忽略这些外力的情况下，碰撞满足动量守恒定律的条件。
v1
m1
m2
2、实验中哪些物体组成了要研究的系统？
3、如何创造实验条件，使系统所受外力的矢量和近似为0？
4、需要测量哪些物理量？
两个相互碰撞的物体
利用气垫导轨尽量减小阻力，重力与支持力平衡，系统外力矢量和为0
物体质量用天平测量，速度用光电门无接触测量。
1.根据动量守恒定律的表达式：m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'，实验中我们需要测量哪些物理量？
（1）测量物体的质量：m1和m2
（2）测量物体碰撞前后的速度：v1、v2、v1'、v2'
2.如何测两个物体的质量？
物体质量可用天平直接测量
3.如何测量物体碰撞前后的速度？根据你所学以往知识能说出几种？
（1）利用打点计时器测速
（2）利用光电门测速
（3）利用机械能守恒定律测速
（4）利用平抛运动测速
学习任务二：物理量的测量
二、光的折射
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案一：
情景2.在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥（图2），碰撞时撞针插入橡皮泥中，使两个滑块连成一体运动。如果在两个滑块的碰撞端分别贴上尼龙拉扣，碰撞时它们也会连成一体。
图2 滑块碰撞后粘连
情景3.原来连在一起的两个物体，由于相互之间具有排斥的力而分开，这也可视为一种碰撞。这种情况可以通过下面的方式实现。在两个滑块间放置轻质弹簧，挤压两个滑块使弹簧压缩，并用一根细线将两个滑块固定。烧断细线，弹簧弹开后落下，两个滑块由静止向相反方向运动（图3）。
图3 弹簧使静止滑块分开
情景1.选取两个质量不同的滑块，在两个滑块相互碰撞的端面装上弹性碰撞架（图1），滑块碰撞后随即分开。
图1 滑块碰撞后分开
1.实验情景设置：
二、光的折射
2.实验器材
气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等．
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案一：
（1）质量的测量：天平称量出滑块质量m1，m2 ,利用加重物来改变滑块的质量
（2）速度的测量：
利用公式 测出碰前m1的速度v1和碰后m1的速度v1 和m2的速度v2
Δx—遮光条宽度
Δt—遮光条经过光电门的时间
3.实验需要测量的物理量
(4)使两滑块依次发生上图三种碰撞情况，计算滑块碰撞前后的速度。
(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)安装光电门，使两个光电门之间的距离约为50cm。
(6)整理实验仪器，数据处理，寻找守恒量。
(5)改变滑块质量，重复步骤(4)。
(3)导轨通气后，调节气垫导轨水平，使滑块在气垫导轨上保持不动或。
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案一：
4.实验步骤
（1）实验之前需要将气垫导轨调节水平；
（2）实验时应该确保发生的是一维碰撞；
（3）测量挡光片的宽度时应尽量减小误差；
5.注意事项
mA＞mB , 运动滑块A撞击静止滑块B。
两静止滑块被弹簧弹开，一个向左，一个向右
运动滑块A撞击静止滑块B，撞后两者粘在一起。
mAv1=mA·v2+mBv3
mAv=(mA+mB)v共
0=mAvA-mBvB
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案一：
实验数据分析
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案一：
实验演示
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案一：
实验演示
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案二：
将斜槽固定在铁架台上，使槽的末端水平。让一个质量较大的小球（入射小球）从斜槽上滚下，跟放在斜槽末端的另一个大小相同、质量较小的小球（被碰小球）发生正碰。
使入射小球从斜槽不同高度处滚下，测出两球的质量以及它们每次碰撞前后的速度，就可以验证动量守恒定律。
如何测量碰撞前后的速度？
1、实验装置中的铅锤线起什么作用？
2、如何记录并测量小球飞出的水平距离？
两球碰撞前后的速度，可以利用平抛运动的知识求出。
在这个实验中也可以不测量速度的具体数值。做平抛运动的小球落到地面，它们的下落高度相同，飞行时间也就相同。因此，小球碰撞后的速度之比就等于它们落地时飞行的水平距离之比。
1.实验情景设置
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案二：
斜槽、同体积的钢球两个、重垂线、白纸、复写纸、天平、刻度尺、圆规。
(1)质量的测量：用天平测量测小球的质量。
(2)速度的测量：利用公式 ，式中x为小球平抛的水平位移，t为小球平抛运动落地时间，但也可以不测速度的具体数值。
2.实验器材
3.实验需要测量的物理量
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案二：
1. 先用天平称量出两个小球的质量mA、mB。
3. 在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸。
2. 安装好实验装置，注意使实验器的斜槽末端点的切线水平。
5. 先不放被碰小球，让入射小球从斜槽上同一位置处静止滚下，重复 10 次，用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面，圆心就是入射小球不碰撞时的落地点。
4. 在白纸上记下重垂线所指的位置 O,它表示入射小球 mA碰撞前球心的竖直投影点。
4.实验步骤
圆心即为小球平均落点
6. 把被碰小球放在斜槽轨道末端，让入射小球从同一位置静止滚下，使它们发生正碰，重复 10 次，同理求出入射小球落点的平均位置 M 和被碰小球落点的平均位置N。
7. 用刻度尺测出线段 OM、OP、ON 的长度，把两小球的质量和相应的水平位移数值代入m1OP＝m1OM＋m2ON，看等式是否成立。
(1)斜槽末端点的切线要水平。
(2)入射小球的质量大于被碰小球的质量，且两球大小要相同。
(3)每次入射小球在斜槽上同一高度自由滚下。
(4)白纸铺好后不能移动。
(5)小球的诸多落点要用用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点都圈在里面，该小圆的圆心即为小球的平均落点；
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案二：
5.注意事项
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案二：
实验演示
新课讲授
研究气垫导轨上滑块碰撞时的动量守恒
方案二：
实验演示
利用单摆验证动量守恒
方案三：
碰后粘到一起
θ
β
设摆长为L=l+r，测出摆角θ和β，可得碰前与碰后速度
两绳等长（保证对心碰撞）
A
B
A
B
悬点间距离为小球直径（保证对心碰撞）

利用打点计时器验证动量守恒
方案三：
橡皮泥
测出相邻计数点间的距离Δx，

可得速度为
相邻计数点间的时间Δt，
光滑桌面通过平衡摩擦力获得
利用频闪照片验证动量守恒
方案三：
分析频闪照片中A、B滑块碰撞前后的位置情况，
设频闪时间间隔为Δ t，可得速度为
二、光的折射
当堂达标检测
1.如图甲，长木板的一端垫有小木块，可以微调木板的倾斜程度，以平衡摩擦力，使小车能在木板上做匀速直线运动。小车A前端贴有橡皮泥，后端连一打点计时器纸带，接通打点计时器电源后，让小车A以某速度做匀速直线运动，与置于木板上静止的小车B相碰并粘在一起，继续做匀速直线运动。打点计时器电源频率为50Hz，得到的纸带如图乙所示，已将各计数点之间的距离标在图上。
（1）图中的数据有AB、BC、CD、DE四段，计算小车A碰撞前的速度大小应选哪段？计算两车碰撞后的速度大小应选哪段？为什么？
（2）若小车A的质量为0.4kg，小车B的质量为0.2kg，根据纸带数据，碰前两小车的总动量是多少？碰后两小车的总动量是多少？
碰撞前BC，碰撞后DE（AB在加速，CD是碰撞中速度在变）
碰撞前0.6848kg·m/s 碰撞后0.6840kg·m/s
2.某实验小组的同学制作了一个弹簧弹射装置,轻弹簧两端各放一个金属小球(小球与弹簧不连接),压缩弹簧并锁定,然后将锁定的弹簧和两个小球组成的系统放在内壁光滑的金属管中(管径略大于两球直径),金属管水平固定在离地面一定高度处,如图所示.若解除弹簧锁定,则这两个金属小球可以同时沿同一直线向相反方向弹射.现要测定弹射装置在弹射时所具有的弹性势能,并验证碰撞过程中动量守恒,实验小组配有足够的基本测量工具,并按下述步骤进行实验:
①用天平测出1、2两球质量分别为m1、m2;
②用刻度尺测出两管口离地面的高度均为h;
③解除弹簧锁定弹出两球,记录下两球在水平地面上的落点M、N.
当堂达标检测
根据该小组同学的实验,回答下列问题:
(1)要测定弹射装置在弹射时所具有的弹性势能,还需要测量的物理量有　 　(填选项前的字母).
A.弹簧的压缩量Δx
B.两球落地点M、N到对应管口P、Q的水平距离x1、x2
C.小球直径
D.两球从弹出到落地的时间t1、t2
B
[解析] 弹簧弹出两球A过程中,系统机械能守恒,要测定压缩弹簧的弹性势能,可转换为测定两球被弹出时的动能,实验中显然可以利用平抛运动测定平抛初速度以计算初动能,因此在测出平抛运动下落高度的情况下,只需测定两球落地点M、N到对应管口P、Q的水平距离x1、x2. .
当堂达标检测
(2)根据测量结果,可得弹性势能的表达式为　 　.
Ep=+
[解析]平抛运动的时间t=,初速度v0=,因此初动能Ek=m=,由机械能守恒定律可知,压缩弹簧的弹性势能等于两球平抛运动的初动能之和,即Ep=+.
(3)用测得的物理量来表示,如果满足关系式　 　,则说明弹射过程中系统动量守恒.
m1x1=m2x2
[解析]若弹射过程中系统动量守恒,则m1v01=m2v02,代入时间得m1x1=m2x2.
当堂达标检测

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