高中物理 第十六章 第一节 探究碰撞中的不变量学案 新人教版选修3-5

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高中物理 第十六章 第一节 探究碰撞中的不变量学案 新人教版选修3-5

第十六章 动量守恒定律 ‎ ‎1 探究碰撞中的不变量 ‎【学习目标】‎ ‎1.明确探究碰撞中的不变量的基本思路.‎ ‎2.掌握同一条直线上运动的两个物体碰撞前后的速度的测量方法.‎ ‎3.掌握实验数据处理的方法.‎ ‎【重点难点】‎ ‎1.碰撞中的不变量的探究 ‎2.速度的测量方法、实验数据的处理.‎ ‎【课前预习】‎ ‎1、本实验目的:探究一维碰撞中,碰撞前后描述物体运动状态的物理量mv、mv2、等哪一个是守恒的.‎ ‎2、实验原理: 在一维碰撞中,与物体运动有关的物理量只有物体的_____和物体的_____,为找到碰撞中的不变量,首先进行合理猜测(例如:物体的质量与其速度的乘积mv是不是不变量?物体的质量与其速度的二次方的乘积mv2是不是不变量?物体的速度与自己质量的比值是不是不变量?),然后设计碰撞实验,测出物体的质量和碰撞前后物体的速度,对猜测进行验证,从而得到碰撞中的守恒量.‎ 方案一:利用气垫导轨实现一维碰撞 ‎(1)质量的测量:用_____测量.‎ ‎(2)速度的测量:v=,式中Δx为 ,Δt为数字计时器显示的 的时间.‎ ‎(3)各种碰撞情景的实现:利用弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥设计各种类型的碰撞,利用滑块上加重物的方法改变碰撞物体的_____.‎ 方案二:利用等长悬线悬挂等大小球实现一维碰撞.如图16-1-1所示.‎ ‎(1)质量的测量:用天平测量.‎ 图16-1-1‎ ‎(2)速度的测量:可以测量小球被拉起的角度,从而算出碰撞前对应小球的速度;测量碰撞后小球摆起的角度,算出碰撞后对应小球的速度.‎ ‎(3)不同碰撞情况的实现:用贴胶布的方法增大两球碰撞时的能量损失.‎ 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 ‎(1)质量的测量:用天平测量.‎ ‎(2)速度的测量:v=,Δx是纸带上两_____间的距离,可用刻度 尺测量.Δt为小车经过Δx所用的时间,可由打点间隔算出.‎ ‎(3)碰撞的实现:两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥.‎ ‎3、实验器材 方案一: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.‎ 方案二:带细线的摆球(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.‎ ‎4、实验步骤 不论采用哪种方案,实验过程均可按实验方案合理安排,参考步骤如下:‎ ‎(1).用天平测相关质量.‎ ‎(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,记入表中(见下表).‎ ‎(5).改变碰撞条件,重复步骤3、4.‎ ‎(6).整理器材,结束实验.‎ ‎5、数据处理 ‎(1).将上述记录的数据进行数据处理,填入表格,通过分析比较找出碰撞中的守恒量.‎ 实验情景 探究量 质量 速度 mv mv2‎ 碰撞前 m1‎ v1‎ m1v1+m2v2‎ m1v+m2v + m2‎ v2‎ 碰撞后 m1‎ v1′‎ m1v1′+m2v2′‎ m1v1′2+m2v2′2‎ + m2‎ v2′‎ ‎(2).实验结论:在误差允许的范围内,碰撞前后不变的量是_______________的乘积,即m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′.‎ ‎6、注意事项 ‎(1).碰撞有很多情形,我们寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变才符合要求.‎ ‎(2).保证两物体发生的是一维碰撞,即两个物体碰撞前后沿_________运动.‎ ‎(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).若利用摆球进行实验,两小球静放时_____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.‎ ‎7、误差分析 ‎(1).碰撞是否为_____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(如摩擦力)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,避免除碰撞时相互作用力外的其他力影响物体的速度.‎ ‎(3).测量摆角、滑块宽度、计数点间距时的误差,特别是测摆角带来的误差最大.‎ ‎【预习检测】‎ ‎1、若用打点计时器做探究碰撞中的不变量实验,下列操作是正确的是 ( )‎ A.相互作用的两车上,一个装上撞针,一个装上橡皮泥,是为了改变两车的质量 B.相互作用的两车上,一个装上撞针,一个装上橡皮泥,是为了碰撞后粘在一起 C.先接通打点计时器的电源,再释放拖动纸带的小车 D.先释放拖动纸带的小车,再接通打点计时器的电源 ‎2、试写出下列物理过程中的不变量:‎ ‎(1)一物体做自由落体;‎ ‎(2)一个物体在竖直方向做匀速直线运动;‎ ‎(3)一物体沿光滑曲面自由下滑。‎ ‎3、用气垫导轨做实验时,某一滑块通过光电门时,双挡光片两次挡光的记录为284.1ms和294.6ms,测得挡光片的挡光距离为‎5cm,则此滑块的速度多大?‎ ‎【参考答案】‎ 课前预习:2、质量,速度;天平,位移,时间;质量,计数点;5、物体的质量和速度;6、同一直线,球心;7、一维。‎ 预习检测: 1、BC 2、(1)运动的加速度 (2)速度或合力 (3)机械能 3、4.76m/s ‎▲图16-1-2‎ 堂中互动▲‎ ‎【典题探究】‎ ‎【例1】某同学设计了一个用打点计时器探究碰撞过程中不 变量的实验:在小车A的前端粘有橡皮泥,推动小车A使之 做匀速直线运动,然后与原来静止在前方的小车B相碰并黏 合成一体,继续做匀速直线运动,他设计的具体装置如图 ‎16-1-2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擦力.‎ (1) 若已得到打点纸带如图16-1-3所示,并测得各计数点 间距离标在图上,A为运动起始的第一点,则应选________段来计算A的碰前速度,应选________段来计算A和B碰后的共同速度(填“AB”“BC”“CD”或“DE”).‎ 图16-1-3‎ ‎(2)已测得小车A的质量mA=‎0.40 kg,小车B的质量mB=‎0.20 kg,由以上测量结果可得,碰前:mAvA+mBvB=__________ kg·m/s;碰后:mAvA′+mBvB′=__________kg·m/s.‎ ‎【解析】小车碰撞前后都做匀速运动,为减小误差,应选点的间距均匀且大些的段来计算速度;计算时注意用速度的主单位。‎ ‎【答案】(1)BC DE (2)0.42 0.417‎ ‎【例2】气垫导轨是常用的一种实验仪器,它是利用气泵使带孔的导轨与滑块之间形成气垫,使滑块悬浮在导轨上,滑块在导轨上的运动可视为没有摩擦.我们可以用带竖直挡板C和D的气垫导轨和滑块A和B来探究碰撞中的不变量,实验装置如图16-1-4所示,采用的实验步骤如下:‎ 图16-1-4‎ a.松开手的同时,记录滑块A、B运动时间的计时器开始工作,当A、B滑块分别碰撞C、D挡板时计时器结束计时,记下A、B分别到达C、D的运动时间t1和t2.‎ b.在A、B间水平放入一个轻弹簧,用手压住A、B使弹簧压缩,放置在气垫导轨上,并让它静止在某个位置.‎ c.给导轨送气,调整气垫导轨,使导轨处于水平.‎ d.用刻度尺测出A的左端至C板的距离L1;B的右端至D板的距离L2.‎ ‎(1)实验步骤的顺序是______________________________________________.‎ ‎(2)实验中还需要的测量仪器是______________________________________.‎ 还需要测量的物理量是____________________________________________.‎ ‎(3)用测得的物理量表达需要探究的不变量表达式是____________________________.‎ ‎(4)实验中弹簧与A、B滑块是粘连好还是不粘连好?‎ ‎______________,理由是________________________.‎ ‎【解析】实验步骤得顺序应按:一切组装、装置调整、实验操作、测量、数据处理、误差分析等顺序排列;测量仪器的选用可从原理出发,写出原理表达式后确定。‎ ‎【答案】(1)c→b→d→a (2)天平 滑块A、B的质量mA、mB (3)mA=mB ‎(4)只与A、B中的某一个粘连好,这样把弹簧的质量考虑进去,会减小系统误差.不能与A、B都粘连,否则A、B可能碰不到C、D,计时误差较大.‎
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