2018版浙江省高考物理教师文档讲义:第十二章实验十九-探究碰撞中的不变量(选考)(6页)

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2018版浙江省高考物理教师文档讲义:第十二章实验十九-探究碰撞中的不变量(选考)(6页)

实验十九 探究碰撞中的不变量(选考)‎ ‎[考纲解读] (1)尝试设计实验方案,知道实验需要测量的物理量和所需器材。(2)根据不同的实验方案设计实验记录表,收集并正确记录数据。(3)分析实验数据,得出实验结论。‎ 实验原理 在一维碰撞中,测出物体的质量m和碰撞前后物体的速度v、v′,找出碰撞前的动量p=m1v1+m2v2及碰撞后的动量p′=m1v1′+m2v2′,看碰撞前后动量是否守恒。‎ 实验器材 方案一:气垫导轨、光电计时器、天平、滑块(两个)、重物、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥等。‎ 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。‎ 方案四:斜槽、小球(两个)、天平、复写纸、白纸等。‎ 实验步骤 方案一:利用气垫导轨完成一维碰撞实验(如图所示)‎ ‎1.测质量:用天平测出滑块质量。‎ ‎2.安装:正确安装好气垫导轨。‎ ‎3.实验:接通电源,利用配套的光电计时装置测出两滑块各种情况下碰撞前后的速度(①改变滑块的质量。②改变滑块的初速度大小和方向)。‎ ‎4.验证:一维碰撞中的动量守恒。‎ 方案二:利用等长悬线悬挂等大小球完成一维碰撞实验(如图所示)‎ ‎1.测质量:用天平测出两小球的质量m1、m2。‎ ‎2.安装:把两个等大小球用等长悬线悬挂起来。‎ ‎3.实验:一个小球静止,拉起另一个小球,放下后它们相碰。‎ ‎4.测速度: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。‎ ‎5.改变条件:改变碰撞条件,重复实验。‎ ‎6.验证:一维碰撞中的动量守恒。‎ 方案三:在光滑桌面上两车碰撞完成一维碰撞实验(如图所示)‎ ‎1.测质量:用天平测出两小车的质量。‎ ‎2.安装:将打点计时器固定在光滑长木板的一端,把纸带穿过打点计时器,连在小车的后面,在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥。‎ ‎3.实验:接通电源,让小车A运动,小车B静止,两车碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两小车连接成一体运动。‎ ‎4.测速度:通过纸带上两计数点间的距离及时间由v=算出速度。‎ ‎5.改变条件:改变碰撞条件,重复实验。‎ ‎6.验证:一维碰撞中的动量守恒。‎ 数据处理 ‎1.速度的测量 方案一:滑块速度的测量:v=,式中Δx为滑块挡光片的宽度(仪器说明书上给出,也可直接测量),Δt为数字计时器显示的滑块(挡光片)经过光电门的时间。‎ 方案二:摆球速度的测量:v=,式中h为小球释放时(或碰撞后摆起的)高度,h可用刻度尺测量(也可由量角器和摆长计算出)。‎ 方案三:小车速度的测量:v=,式中Δx是纸带上两计数点间的距离,可用刻度尺测量,Δt为小车经过Δx的时间,可由打点间隔算出。‎ ‎2.验证的表达式 方案一、二、三:m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′。‎ 注意事项 ‎1.前提条件 碰撞的两物体应保证“水平”和“正碰”。‎ ‎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)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。‎ ‎(3)若利用长木板进行实验,可在长木板下垫一小木片用以平衡摩擦力。‎ ‎(4)若利用斜槽小球碰撞应注意:‎ ‎①斜槽末端的切线必须水平;‎ ‎②入射小球每次都必须从斜槽同一高度由静止释放;‎ ‎③选质量较大的小球作为入射小球;‎ ‎④实验过程中实验桌、斜槽、记录的白纸的位置要始终保持不变。‎ ‎3.探究结论 寻找的不变量必须在各种碰撞情况下都不改变。‎ 考点一 实验原理及实验操作 ‎1.在用气垫导轨进行实验时,不需要测量的物理量是(  )‎ A.滑块的质量 B.挡光的时间 C.挡光片的宽度 D.光电门的高度 解析 从实验原理出发进行分析,A、B、C三个选项都是必须要测量的物理量。‎ 答案 D ‎2.(多选)在利用打点计时器探究碰撞中的不变量的实验中,下列操作正确的是(  )‎ A.相互作用在两车上,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,是为了使两车碰撞后粘在一起 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 解析 ‎ 改变小车的质量可以加砝码,装上撞针和橡皮泥,这样做是为了使两车碰撞后粘在一起,有共同的速度,选项A错误,B正确;打点计时器的使用原则是先接通电源,再释放纸带,选项C正确,D错误。‎ 答案 BC ‎3.用如图所示的装置也可以完成“探究碰撞中的不变量”实验。‎ ‎(1)若实验中选取的A、B两球半径相同,为了使A、B发生一维碰撞,应使两球悬线长度    ,悬点O1、O2之间的距离等于    。‎ ‎(2)若A、B两球的半径不相同,利用本装置能否完成实验?如果你认为能完成,请说明如何调节?‎ 解析 (1)为了保证一维碰撞,碰撞点应与两球同在一条水平线上,故两球悬线长度相等,O1、O2之间距离等于球的直径。‎ ‎(2)如果两球的半径不相等,也可完成实验。调整装置时,应使O1、O2之间距离等于两球的半径之和,两球静止时,球心在同一水平高度上。‎ 答案 (1)相等 球的直径 (2)见解析 考点二 数据处理及误差分析 ‎1.(多选)在利用气垫导轨探究碰撞中的不变量实验中,可导致实验误差的因素是(  )‎ A.导轨安放不水平 B.小车上挡光板倾斜 C.两小车质量不相等 D.两小车碰后连在一起 解析 选项A中,导轨不水平,小车速度将受重力分力的影响,从而导致实验误差;选项B中,挡光板倾斜会导致挡光板宽度不等于挡光阶段小车通过的位移,使计算速度出现误差,而C、D中对探究不会造成误差。‎ 答案 AB ‎2.(2015·吉林松原高三检测)某同学设计了一个用电磁打点计时器验证动量守恒定律的实验: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 相碰并粘合成一体,继续做匀速直线运动。他设计的装置如图甲所示。在小车A后连着纸带,电磁打点计时器所用电源频率为50 Hz,长木板下垫着薄木片以平衡摩擦力。‎ ‎(1)若已测得打点纸带如图乙所示,并测得各计数点间距(标在图上),则应选    段来计算A碰前的速度。应选    段来计算A和B碰后的共同速度(选填“AB”或“BC”或“CD”或“DE”)。‎ ‎(2)已测得小车A的质量mA=0.4 kg,小车B的质量为mB=0.2 kg。由以上测量结果可得:碰前mAvA=    kg·m/s;碰后(mA+mB)v共=    kg·m/s。由此得出的结论是____________________________________________________。‎ ‎(本题计算结果均保留三位有效数字)‎ 解析 (1)小车碰前做匀速直线运动,打出纸带上的点应该是间距均匀的,故计算小车碰前的速度应选BC段。CD段上所打的点由稀变密,可见在CD段A、B两小车相互碰撞。A、B碰撞后一起做匀速直线运动,所以打出的点又是间距均匀的,故应选DE段计算碰后的速度。‎ ‎(2)碰撞前:vA== m/s=1.050 m/s,‎ 碰撞后:vA′=vB′=v共== m/s=0.695 m/s。‎ 碰撞前:mAvA=0.4×1.05 kg·m/s=0.420 kg·m/s 碰撞后:(mA+mB)v共=0.60×0.695 kg·m/s=0.417 kg·m/s 由于0.420≈0.417‎ 由此得出的结论是:在误差允许的范围内,一维碰撞过程中,两物体的速度与质量的乘积的和保持不变。‎ 答案 (1)BC DE (2)0.420 0.417 结论见解析
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