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1、第十六章 动量守恒定律1 实验:探究碰撞中的不变量【实验目的】1.明确探究碰撞中的不变量的基本思路。2.掌握在同一条直线上两个物体碰撞前后速度的测量方法。3.了解实验数据的处理方法。【实验原理】1.一维碰撞: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的碰撞。2.探究碰撞中的不变量:在一维碰撞的情况下,设两个物体的质量分别为m1、m2,碰撞前的速度分别为v1、v2,如果速度的方向与我们规定的方向一致取正值,相反取负值,依次探究以下关系是否成立:(1)m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′(2)m1v
2、12+m2v22=m1v1′2+m2v2′2(3)3.实验方案设计:【方案一】利用气垫导轨实现两个滑块的一维碰撞实验装置如图所示。实验步骤:(1)质量的测量:用天平测量质量。(2)速度的测量:利用公式v=,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。(3)利用在滑块上增加重物的方法改变碰撞物体的质量。(4)实验方法:①用细线将弹簧片压缩,放置于两个滑块之间,并使它们静止,然后烧断细线,弹簧片弹开后落下,两个滑块随即向相反方向运动(图甲)。②在两滑块相碰的端面装上弹性碰撞架(
3、图乙)可以得到能量损失很小的碰撞。③在两个滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥,碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两个滑块连成一体运动,这样可以得到能量损失很大的碰撞。【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。(1)质量的测量:用天平测量质量。(2)速度的测量:可以测量小球被拉起的角度,根据机械能守恒定律算出小球碰撞前对应的速度;测量碰撞后两小球分别摆起的对应角度,根据机械能守恒定律算出碰撞后对应的两小球的速度。(3)不同碰撞情况的实现:用贴胶布的方法增大两小球碰撞时的能量损失。【方案三】利用斜槽
4、实现两小球的一维碰撞如图甲所示,让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来,与放在斜槽前边小支柱上的另一质量较小的球发生碰撞,之后两小球都做平抛运动。(1)质量的测量:用天平测量质量。(2)速度的测量:由于两小球下落的高度相同,所以它们的飞行时间相等。如果用小球的飞行时间作时间单位,那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平速度。因此,只需测出两小球的质量m1、m2和不放被碰小球时入射小球在空中飞出的水平距离s1,以及碰撞后入射小球与被碰小球在空中飞出的水平距离s1′和s2′。若在实验误差允许的范围内m1s1与m1s
5、1′+m2s2′相等,就验证了两个小球碰撞前后的不变量。(3)让小球从斜槽的不同高度处开始滚动,进行多次实验。【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、细线、弹性碰撞架、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】斜槽、两个大小相等而质量不等的小球、重垂线、白纸、复写纸、刻度尺、天平、螺旋测微器、圆规。【实验过程】不论采用哪种方案,实验过程均可按选定的实验方案合理安排,参考步骤如下:(1)用天平测量两滑块(小球)的质量
6、m1、m2,填入预先设计好的表中。(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,计算有关速度或者速度的替代量,填入预先设计好的表中。(5)改变碰撞条件,重复步骤(3)、(4)。(6)进行数据处理,通过分析比较,找出碰撞中的守恒量。(7)整理器材,结束实验。实验中记录数据用的表格:【误差分析】1.系统误差:(1)碰撞是否为一维碰撞,是产生误差的一个原因,设计实验方案时应保证碰撞为一维碰撞。(2)碰撞中是否受其他力(例如摩擦力)的影响是带来误差的又一个原因,实验中要合理控制实验条件,避免除碰
7、撞时相互作用力外的其他力影响物体速度。2.偶然误差:测量和读数的准确性带来的误差,实验中应规范测量和读数,同时增加测量次数,取平均值,尽量减少偶然误差的影响。【注意事项】1.前提条件: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.方案提醒:(1)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。(2)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。(3)若利用摆球进行实验,两小球静止时球心应在同一
8、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。热点一实验步骤与数据处理【典例1】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50Hz)、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。世纪金榜导学号19892000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mA=0.4kg,小车B
