實驗：驗證動量守恒定理【教學目標】1．把握動量守恒定理適用范圍。2．會用實驗驗證動量守恒定理。【教學重難點】會用實驗驗證動量守恒定理。【教學過程】一、實驗思路班主任：**物體在發生碰撞時，作用時間很短。依據動量定律，它們的互相斥力很大。假如把這兩個物體看作一個系統，這么，盡管物體還遭到重力、支持力、摩擦力、空氣阻力等外力的作用，而且有些力的矢量和為0，有些力與系統內兩物體的互相斥力相比很小。為此，在可以忽視那些外力的情況下，碰撞滿足動量守恒定理的條件。問題：我們應當如何設計實驗，使兩個碰撞的物體所組成的系統所受外力的矢量和近似為0？中學生思索，班主任總結。我們研究最簡單的情況：兩個物體碰撞前沿同仍然線運動，碰撞后仍沿這條直線運動。應當盡量創造實驗條件，使系統所受外力的矢量和近似為0。二、物理量的檢測研究對象確定后，還須要明晰所需檢測的數學量和實驗器材。問題：想要驗證動量守恒定理，須要檢測什么化學量？中學生思索，班主任總結：依據動量的定義，很自然地想到，須要檢測物體的質量，以及兩個物體發生碰撞前后各自的速率。班主任：**物體的質量我們可以直接用天平檢測，物體碰撞前后的速率呢？中學生追憶之前我們學習了什么檢測物體速率的方式。
最后班主任總結可行的方式進行實驗的設計。（一）方案一：研究氣墊滑軌上滑塊碰撞時的動量守恒本案例中，我們借助氣墊滑軌來減少磨擦力，借助光電計時器檢測滑塊碰撞前后的速率。實驗裝置如圖所示，可以通過在滑塊上添加已知質量的物塊來改變碰撞物體的質本實驗可以研究以下幾種情況：選定兩個質量不同的滑塊，在兩個滑塊互相碰撞的錐面裝上彈性碰撞架，滑塊碰撞后旋即分開。在兩個滑塊的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥，碰撞時撞針插入橡皮泥中，使兩個滑塊連成一體運動。若果在兩個滑塊的碰撞端分別貼上錦綸拉扣，碰撞時它們也會連成一體。原先連在一起的兩個物體，因為互相之間具有抵觸的力而分開，這也可視為一種碰撞。這些情況可以通過下邊的形式實現。在兩個滑塊間放置輕質彈簧，擠壓兩個滑塊使彈簧壓縮，并用一根細線將兩個滑塊固定。燒斷細線，彈簧彈開后落下，兩個滑塊由靜止向相反方向運動。1．實驗步驟：（1）測質量：用天平測出滑塊的質量。（2）安裝：正確安裝好氣墊滑軌。（3）實驗：接通電源，借助配套的光電計時裝置測出兩滑塊各類情況下碰撞前后的速率（改變滑塊的質量；改變滑塊的初速率大小和方向）。（4）驗證：一維碰撞中的動量守恒。2．數據處理（1）滑塊速率的檢測：v＝Δx/Δt，式中Δx為滑塊擋光片的長度（儀器說明書上給出，也可直接檢測），Δt為數字計時器顯示的滑塊（擋光片）經過光電門的時間。
（2）驗證的表達式：m（二）方案二：借助斜槽上滾下的小球驗證動量守恒定理1．實驗步驟：（1）測質量：用天平測出兩小球的質量，并選取質量大的小球為入射小球。（2）安裝：根據圖甲所示安裝實驗裝置，調整固定斜槽使斜槽底端水平。（3）鋪紙：白紙在下，復寫紙在上且在適當位置鋪放好，記下重垂線所指的位置（4）放球找點，不放被砸小球，每次讓入射小球從斜槽上某固定高度處自由滾下，重復10次。用圓規畫盡量小的圓把所有的小球落點圈在上面。圓心F就是小球落點的平均位置。（5）碰撞找點，把被砸小球置于斜槽末端，每次讓入射小球從斜槽同一高度自由滾下，使它們發生碰撞，重復實驗10次。用步驟的方式，標出碰后入射小球落點的平均位置和被砸小球落點的平均位置N，如圖所示。（6）驗證：聯接N，檢測線段OP、OM、ON的寬度。將檢測數據填入表中。最后代入mOP。（7）結束：整理好實驗器材放回原處。2．數據處理：驗證的表達式：m（三）方案三：在光滑桌面上兩車碰撞完成一維碰撞實驗1．實驗器材光滑長木板、打點計時器、紙帶、小車（兩個）、天平、撞針、橡皮泥。2．實驗步驟（1）測質量：用天平測出兩大車的質量。（2）安裝，將打點計時器固定在光滑長木板的一端，把紙帶穿過打點計時器，連在貨車的旁邊，在兩大車的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥。
（3）實驗：接通電源，讓貨車A運動，貨車五靜止，兩車碰撞時撞針插入橡皮泥中，把兩大車聯接成一體運動。（4）測速度：通過紙帶上兩計數點間的距離及時間由算出速率。（5）改變條件：改變碰撞條件，重復實驗。（6）驗證：一維碰撞中的動量守恒。3．數據處理（1）貨車速率的檢測：，式中是紙帶上兩計數點間的距離，可用刻度尺檢測，為貨車經過的時間，可由打點間隔算出。（2）驗證的表達式：m4．注意事項（1）前提條件：碰撞的兩物體應保證“水平”和“正碰”。（2）若借助“氣墊滑軌”完成實驗，調整氣墊滑軌時，注意借助水平儀確保滑軌水平。若用“斜槽”完成實驗，斜槽末端的切線必須水平，入射小球每次都必須從斜槽同一高度由靜止釋放。5．偏差剖析（1）系統偏差：主要來始于裝置本身是否符合要求，即：碰撞是否為一維碰撞。實驗是否滿足動量守恒的條件：如氣墊滑軌是否水平，兩球是否等大。（2）碰巧誤差：主要來始于質量m和速率的檢測。（3）改進舉措：設計方案時應保證碰撞為一維碰撞，且盡量滿足動量守恒的條件。采取多次檢測求平均值的方式減少碰巧偏差。【課堂練習】1．（2017浙江模擬）借助頻閃拍照和氣墊滑軌做“探究碰撞中的不變量”的實驗，步驟如下：用天平測出滑塊A、B的質量分別為200g和300g；安裝好氣墊滑軌，調節氣墊滑軌的調節旋鈕，使滑軌水平；向氣墊滑軌通入壓縮空氣；兩滑塊放在滑軌上，并給它們一個初速率，同時開始閃光拍照，閃光的時間間隔設定為Δt＝0.2s，相片如圖所示。
結合實驗過程和圖像剖析知：該圖像是閃光4次攝得的相片，在這4次閃光的頓時，兩滑塊均在0～80cm刻度范圍內；第一次閃光時，滑塊A正好通過x＝55cm處，滑塊正好通過x＝70cm處；碰撞后有一個滑塊處于靜止狀態。設往右為正方向，試剖析：滑塊碰撞時間發生在第一次閃光后____s，碰撞前兩滑塊的質量與速率乘積之和為/s，碰撞后兩滑塊的質量與速率乘積之和為/s。答案：0.1；－0.2；－0.22．（2017浙江荊州中學期中）某同事用圖甲所示裝置通過直徑相同的a、b碰撞來驗證動量守恒定理。圖中PQ是斜槽，QR為水平槽。在記錄紙上記下重垂線所指的位置O。實驗時先使由靜止開始滾下，落到坐落水平地面的記錄紙上，留下痕跡，重復上述操作10次驗證動量定理實驗報告，得到10個落點痕跡，確定小球a的落點平均位置B。再把b球置于水平槽末端球仍從固定位置G由靜止開始滾球碰撞后驗證動量定理實驗報告，落到水平地面的記錄紙上，重復10次，得到兩球的落點平均位置分別為A和C，其中b球落點痕跡如圖乙所示。米尺水平放置，零點與O點對齊。（1）碰撞后b球的水平射速應取為。（2）在以下選項中，什么是本次實驗必須進行的檢測？答：____（填選項序號）。
A．水平槽上未放b球時，檢測a球落點位置到O點的距離x球的落點位置到O點的距離x球的半徑dD．檢測a（或兩球質量之比）E．檢測G點相對于水平槽面的高度H（3）根據本實驗方式，已知a球的質量為m，這么動量守恒定理的驗證式為____（用實驗中所測化學量相應字母表示）。答案：（1）64.5（64.2～64.8均可）；（2）ABD；（3）m用細線懸掛于O點，O點正下方椅子的邊沿有一豎直立柱。實驗時，調節懸點，使彈性球1靜止時恰與立柱上的球2接觸且兩球等高。將球1點，并使之靜止，同時把球2置于立柱上。釋放球1，當它擺到懸點正下方時與球2發生對心碰撞。碰后落到水平地面上的C點。測出有關數據即可驗證1、點離水平桌面的距離為a，B點離水平桌面的距離為b。據悉：（1）還須要檢測的量是__、和。（2）按照檢測的數據，該實驗中動量守恒定理的表達式為__。答案：（1）C點與椅子邊沿間的水平距離c、立柱高h、桌面高H；（2）2m4．（2017浙江德州一模）如圖所示，用“碰撞實驗器”可以驗證動量守恒定理，即研究兩個小球在軌道水平部份碰撞前后的動量關系。
（1）實驗必須滿足的條件是（填選項的符號）。A．斜槽軌道必須是光滑的B．斜槽軌道末端的切線是水平的C．入射小球每次都要從同一高度由靜止滾下D．若入射小球的質量為m（2）圖中O點是小球拋出點在地面上的垂直投影。實驗時，先讓小球1多次從斜位置由靜止釋放，找到其平均落地點的位置P，檢測平填裝程OP，之后，把小位置由靜止釋放，與小球2發生碰撞，并多次重復。接出來要完成的必要步驟是（填選項的符號）。A．用天平檢測兩個小球的質量mB．檢測小球1開始釋放的高度hC．檢測拋出點距地面的高度HD．分別找到小球1、小球2相撞后平均落點的位置M、NE．檢測平填裝程OM（3）若兩球碰撞前后的動量守恒，則滿足的表達式為（用（2）中檢測的量表示）。＝9.0g，OP＝46.20cm。則可能的最大值為（小數點后保留兩位）。答案：（1）BCD（2）ADE（3）m