2018-2019版高中物理第1章碰撞與動量守恒1.2課時1動量守恒定律學案滬科版選修3 .docx
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課時1 探究物體碰撞時動量的變化規(guī)律 [學習目標]1.探究物體碰撞時動量的變化規(guī)律.2.掌握在同一條直線上運動的兩個物體碰撞前、后速度的測量方法. 一、實驗原理 為了使問題簡化,這里先研究兩個物體碰撞時動量變化的規(guī)律,碰撞前兩物體沿同一直線運動,碰撞后仍沿這一直線運動. 設兩個物體的質量分別為m1、m2,碰撞前的速度分別為v1、v2,碰撞后的速度分別為v1′、v2′,如果速度方向與我們規(guī)定的正方向一致,取正值,相反取負值. 根據實驗求出兩物體碰撞前的總動量 p=m1v1+m2v2 碰撞后總動量p′=m1v1′+m2v2′ 看一看p與p′有什么關系? 二、實驗設計 1.實驗設計要考慮的問題 (1)如何保證碰撞前、后兩物體速度在一條直線上? (2)如何測定碰撞前、后兩物體的速度? 2.實驗案例:氣墊導軌上的實驗 氣墊導軌、氣泵、光電計時器、天平等. 氣墊導軌裝置如圖1所示,由導軌、滑塊、擋光條、光電門等組成,在空腔導軌的兩個工作面上均勻分布著一定數量的小孔,向導軌空腔內不斷通入壓縮空氣,壓縮空氣會從小孔中噴出,使滑塊穩(wěn)定地漂浮在導軌上(如圖2所示,圖中氣墊層的厚度放大了很多倍),這樣大大減小了由摩擦產生的影響. 圖1 圖2 (1)質量的測量:用天平測量. (2)速度的測量:v=,式中的Δx為滑塊上擋光板的寬度,Δt為數字計時顯示器顯示的滑塊上的擋光板經過光電門的時間. 三、實驗步驟和數據處理 1.調節(jié)氣墊導軌,使其水平.是否水平可按如下方法檢查:打開氣泵后,導軌上的滑塊應該能保持靜止. 2.按說明書連接好光電計時器與光電門. 3.如圖3所示,在滑塊上安裝好彈性架.將兩滑塊從左、右以適當的速度經過光電門后在兩光電門中間發(fā)生碰撞,碰撞后分別沿與各自碰撞前相反的方向運動再次經過光電門,光電計時器分別測出兩滑塊碰撞前后的速度.測出它們的質量后,將實驗結果記入相應表格中. 圖3 4.如圖4所示,在滑塊上安裝好撞針及橡皮泥,將兩滑塊從左、右以適當的速度經過光電門后發(fā)生碰撞,相碰后粘在一起,測出它們的質量和速度,將實驗結果記入相應的表格. 圖4 5.在滑塊上安裝好撞針及橡皮泥后,將裝有橡皮泥的滑塊停在兩光電門之間,裝有撞針的滑塊從一側經過光電門后兩滑塊碰撞,然后一起運動經過另一光電門,測出兩滑塊的質量和速度,將實驗結果記入相應表格中. 6.根據上述各次碰撞的實驗數據尋找物體碰撞時動量變化的規(guī)律. 氣墊導軌實驗數據記錄表 碰撞前 碰撞后 質量m(kg) m1 m2 m1 m2 速度v(ms-1) v1 v2 v1′ v2′ mv(kgms-1) m1v1+m2v2 m1v1′+m2v2′ 結論 實驗結論:碰撞前后兩滑塊的動量之和保持不變. 四、注意事項 1.保證兩個滑塊碰撞前沿同一直線,碰撞后仍沿同一直線運動. 2.調整氣墊導軌時,注意利用水平儀確保導軌水平. 一、用氣墊導軌結合光電門的實驗探究 例1 某同學利用氣墊導軌做“探究物體碰撞時動量變化的規(guī)律”的實驗.氣墊導軌裝置如圖5所示,所用的氣墊導軌裝置由導軌、滑塊、彈射架、光電門等組成. 圖5 (1)下面是實驗的主要步驟: ①安裝好氣墊導軌,調節(jié)氣墊導軌的調節(jié)旋鈕,使導軌水平; ②向氣墊導軌通入壓縮空氣; ③接通光電計時器; ④把滑塊2靜止放在氣墊導軌的中間; ⑤滑塊1擠壓導軌左端彈射架上的橡皮繩; ⑥釋放滑塊1,滑塊1通過光電門1后與左側固定彈簧的滑塊2相碰撞,碰撞后滑塊2和滑塊1依次通過光電門2,兩滑塊通過光電門2后依次被制動; ⑦讀出滑塊通過兩個光電門的擋光時間:滑塊1通過光電門1的擋光時間為Δt1=10.01ms,通過光電門2的擋光時間為Δt2=49.99ms,滑塊2通過光電門2的擋光時間為Δt3=8.35ms; ⑧測出擋光片的寬度d=5mm,測得滑塊1的質量為m1=300g,滑塊2(包括彈簧)的質量為m2=200g; (2)數據處理與實驗結論: ①實驗中氣墊導軌的作用是: A.________________________________________________________________________; B.________________________________________________________________________. ②碰撞前滑塊1的速度v1為__________m/s;碰撞后滑塊1的速度v2為__________ m/s;滑塊2的速度v3為__________m/s;(結果均保留兩位有效數字) ③在誤差允許的范圍內,通過本實驗,同學們可以探究出哪些物理量是不變的?通過對實驗數據的分析說明理由.(至少回答2個不變量) a.________________________________________________________________________; b.________________________________________________________________________. 答案 見解析 解析 (2)①A.大大減小了因滑塊和導軌之間的摩擦而引起的誤差. B.保證兩個滑塊的碰撞是一維的. ②滑塊1碰撞之前的速度v1==m/s≈0.50 m/s; 滑塊1碰撞之后的速度 v2==m/s≈0.10 m/s; 滑塊2碰撞之后的速度v3==m/s≈0.60 m/s; ③a.系統(tǒng)總動量不變. 原因:系統(tǒng)碰撞之前m1v1=0.15kgm/s,系統(tǒng)碰撞之后m1v2+m2v3=0.15 kgm/s. b.系統(tǒng)碰撞前后總動能不變. 原因:系統(tǒng)碰撞之前的總動能Ek1=m1v12=0.0375J 系統(tǒng)碰撞之后的總動能 Ek2=m1v22+m2v32=0.0375J 所以系統(tǒng)碰撞前后總動能相等. c.系統(tǒng)碰撞前后總質量不變. 二、利用“光滑”水平面結合打點計時器的實驗探究 例2 某同學設計了一個用打點計時器探究物體碰撞時動量變化規(guī)律的實驗.在小車甲的前端黏有橡皮泥,推動小車甲使之做勻速直線運動,然后與原來靜止在前方的小車乙相碰并黏合成一體,而后兩車繼續(xù)做勻速直線運動,他設計的具體裝置如圖6所示.在小車甲后連著紙帶,打點計時器打點頻率為50Hz,長木板下墊著小木片用以平衡摩擦力. 圖6 (1)若已得到打點紙帶如圖7所示,并將測得的各計數點間距離標在圖上,A點是運動起始的第一點,則應選____段來計算甲的碰前速度,應選______段來計算甲和乙碰后的共同速度(以上兩格選填“AB”“BC”“CD”或“DE”). 圖7 (2)已測得小車甲的質量m甲=0.40kg,小車乙的質量m乙=0.20kg,由以上測量結果可得:碰前m甲v甲+m乙v乙=__________________kgm/s;碰后m甲v甲′+m乙v乙′=________ kgm/s(結果保留3位有效數字). (3)由(2)可得出的結論是__________. 答案 (1)BC DE (2)0.420 0.417 (3)在誤差允許范圍內,碰撞前后兩個小車的mv之和是相等的. 解析 (1)觀察打點計時器打出的紙帶,點跡均勻的階段BC應為小車甲與乙碰前的階段,CD段點跡不均勻,故CD應為碰撞階段,甲、乙碰撞后一起做勻速直線運動,打出間距均勻的點,故應選DE段計算碰后共同的速度. (2)碰前v甲==1.05m/s,v乙=0;m甲v甲+m乙v乙=0.420 kgm/s.碰后兩者速度相同,v甲′=v乙′==0.695m/s;m甲v甲′+m乙v乙′=0.417 kgm/s. (3)在誤差允許范圍內,碰撞前后兩個小車的mv之和是相等的. 三、利用氣墊導軌結合頻閃照相的實驗探究 例3 為了探究物體碰撞時動量變化的規(guī)律,實驗最好在氣墊導軌上進行,這樣就可以大大減小阻力,使滑塊在碰撞前后的運動可以看成是勻速運動,使實驗的可靠性及準確度得以提高.在某次實驗中,A、B兩鋁制滑塊在一水平長氣墊導軌上相碰,用頻閃攝像的方法每隔0.4秒的時間拍攝一次照片,每次拍攝時閃光的持續(xù)時間很短,可以忽略,如圖8所示,已知A、B之間的質量關系是mB=1.5mA,拍攝共進行了4次,第一次是在兩滑塊相撞之前,以后的三次是在碰撞之后,A原來處于靜止狀態(tài),設A、B滑塊在拍攝閃光照片的這段時間內是在10cm至105cm這段范圍內運動(以滑塊上的箭頭位置為準),試根據閃光照片求出: 圖8 (1)A、B兩滑塊碰撞前后的速度各為多少? (2)根據閃光照片分析說明兩滑塊碰撞前后,兩個滑塊的總動量是否不變. 答案 見解析 解析 (1)分析題圖可知碰撞后兩滑塊的速度分別為: vB′==m/s=0.5 m/s; vA′==m/s=0.75 m/s. 從發(fā)生碰撞到第二次拍攝照片時,A運動的時間是 t1==s=0.2s 由此可知,從第一張拍攝照片到發(fā)生碰撞的時間為 t2=(0.4-0.2) s=0.2s 則碰撞前B的速度為vB==m/s=1.0 m/s 由題意得vA=0. (2)碰撞前:mAvA+mBvB=1.5mA 碰撞后:mAvA′+mBvB′=0.75mA+0.75mA=1.5mA,所以mAvA+mBvB=mAvA′+mBvB′,即碰撞前后兩個滑塊總動量不變. 1.(實驗誤差的考查)(多選)在利用氣墊導軌探究物體碰撞時動量變化的規(guī)律實驗中,哪些因素可導致實驗誤差增大( ) A.導軌安放不水平 B.滑塊上擋光片傾斜 C.兩滑塊質量不相等 D.兩滑塊碰后粘合在一起 答案 AB 2.(注意事項的考查)(多選)若用打點計時器做探究碰撞中的不變量的實驗,下列說法或操作正確的是( ) A.相互作用的兩車上,一個裝上撞針,一個裝上橡皮泥,是為了改變兩車的質量 B.相互作用的兩車上,一個裝上撞針,一個裝上橡皮泥,是為了碰撞后粘在一起 C.先接通打點計時器的電源,再釋放拖動紙帶的小車 D.先釋放拖動紙帶的小車,再接通打點計時器的電源 答案 BC 解析 相互作用的兩車上,一個裝上撞針,一個裝上橡皮泥,是為了碰撞后兩車能粘在一起共同運動,這種情況能得到能量損失很大的碰撞;應當先接通打點計時器的電源,再釋放拖動紙帶的小車,否則因運動距離較短,小車釋放以后再打開電源不容易得到實驗數據.故A、D錯誤,B、C正確. 3.(實驗數據的處理)在用氣墊導軌做“探究碰撞中的不變量”實驗時,左側滑塊質量m1=200g,右側滑塊質量m2=160g,擋光片寬度為3.00cm,兩滑塊之間有一壓縮的彈簧片,用細線將兩滑塊連在一起,如圖9所示.開始時兩滑塊靜止,燒斷細線后,兩滑塊分別向左、右方向運動.擋光片通過光電門的時間分別為Δt1=0.30s,Δt2=0.24s.以向右為正方向,則燒斷細線后兩滑塊的速度分別為v1′=________m/s,v2′=________ m/s.燒斷細線前m1v1+m2v2=________,燒斷細線后m1v1′+m2v2′=________.可得到的結論是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. 圖9 答案 (1)-0.1 0.125 0 0 兩個物體各自的質量與自己的速度的乘積之和是“不變量” 解析 由平均速度公式可得:v1′=m/s=-0.1 m/s;v2′=m/s=0.125 m/s;因燒斷細線之前,兩滑塊均靜止,故燒斷細線前的m1v1+m2v2為零;燒斷細線后的m1v1′+m2v2′=0.2(-0.1) kgm/s+0.160.125 kgm/s=0;即燒斷細線前后mv之和相等,即兩個物體各自的質量與自己速度的乘積之和是“不變量”. 4.(實驗數據的處理)某同學把兩個大小不同的物體用細線連接,中間夾一被壓縮的彈簧,如圖10所示,將這一系統(tǒng)置于光滑的水平桌面上,燒斷細線,觀察兩物體的運動情況,進行必要的測量,探究物體間相互作用時動量變化的規(guī)律. 圖10 (1)該同學還必須有的器材是______________________________________________________; (2)需要直接測量的數據是________________________________________________________; (3)本實驗中表示碰撞前后動量守恒的表達式應為_____________(用測得的物理量符號表示). 答案 (1)刻度尺、天平 (2)兩物體的質量m1、m2和兩物體落地點分別到桌面兩側邊緣的水平距離s1、s2 (3)m1s1=m2s2 解析 物體離開桌面后做平拋運動,取左邊物體的初速度方向為正方向,設兩物體質量和平拋初速度分別為:m1、m2,v1、v2,平拋運動的水平位移分別為s1、s2,平拋運動的時間為t,需要驗證的方程:0=m1v1-m2v2,其中:v1=,v2=,代入得到m1s1=m2s2,故需要測量兩物體的質量m1、m2和兩物體落地點分別到桌面兩側邊緣的水平距離s1、s2,需要的器材為刻度尺、天平.- 配套講稿:
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