第一章動(dòng)量守恒定律

第4節(jié)實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律

本節(jié)課程的內(nèi)容主要是通過理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點(diǎn)。

了解不同實(shí)驗(yàn)方案的基本思路、實(shí)驗(yàn)裝置及注意事項(xiàng)，最重要的是要能夠?qū)λ鶞y量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行

科學(xué)分析，最終實(shí)現(xiàn)減小實(shí)驗(yàn)誤差，并能夠驗(yàn)證動(dòng)量守恒的目的。

【物理觀念】通過兩種實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證動(dòng)量守恒；

【科學(xué)思維】按照實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)不同試驗(yàn)方案，科學(xué)的在不同實(shí)驗(yàn)方案中對(duì)各物理量進(jìn)行測量，對(duì)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最大程度的減小實(shí)驗(yàn)誤差，達(dá)到驗(yàn)證動(dòng)量守恒的目的；對(duì)于發(fā)展學(xué)生的運(yùn)動(dòng)與

相互作用的觀念和科學(xué)思維至關(guān)重要。

【科學(xué)探究】準(zhǔn)確理解實(shí)驗(yàn)思路，從更好的執(zhí)行兩種實(shí)驗(yàn)方案，達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究或驗(yàn)證的目的，

在實(shí)驗(yàn)中要注重各物理量之間的相互關(guān)系，加深對(duì)物體相互作用過程中系統(tǒng)動(dòng)量守恒的理解；

【科學(xué)態(tài)度與責(zé)任】在物理實(shí)驗(yàn)中要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)思路，學(xué)會(huì)從多個(gè)方面思考問題，用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證

物理規(guī)律，在物理實(shí)驗(yàn)中養(yǎng)成良好的團(tuán)隊(duì)合作精神。

【教學(xué)重點(diǎn)】用兩種試驗(yàn)方案驗(yàn)證動(dòng)量守恒的實(shí)驗(yàn)思路與注意事項(xiàng)；

【教學(xué)難點(diǎn)】兩種實(shí)驗(yàn)方案中各物理量的測量及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

一、【引入新課】

動(dòng)量守恒定律的適用條件是系統(tǒng)不受外力，或者所受外力的矢量和為0。我們生活中的物體受到各

種力的作用，難以滿足這種理想化的條件。但是，在某些情況下，可以近似滿足動(dòng)量守恒的條件。

二、【進(jìn)行新課】

探究點(diǎn)一、研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)思路

動(dòng)量守恒定律的適用條件是系統(tǒng)不受外力，或者所受外力的矢量和為0。我們生活中的物體受到各

種力的作用，難以滿足這種理想化的條件。但是，在某些情況下，可以近似滿足動(dòng)量守恒的條件。

本案例中，我們利用氣墊導(dǎo)軌來減小摩擦力，利用光電計(jì)時(shí)器測量滑塊碰撞前后的速度。實(shí)驗(yàn)裝

置如圖所示。可以通過在滑塊上添加已知質(zhì)量的物塊來改變碰撞物體的質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)器材

氣墊導(dǎo)軌、光電計(jì)時(shí)器、天平、滑塊(兩個(gè))、彈簧片、細(xì)繩、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等．

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.選取兩個(gè)質(zhì)量不同的滑塊，在兩個(gè)滑塊相互碰撞的端面裝上彈性碰撞架（圖1），滑塊碰撞后隨即

分開。

2.在兩個(gè)滑塊的碰撞端分別裝上撞針和橡皮泥（圖2），碰撞時(shí)撞針插入橡皮泥中，使兩個(gè)滑塊連成

一體運(yùn)動(dòng)。如果在兩個(gè)滑塊的碰撞端分別貼上尼龍拉扣，碰撞時(shí)它們也會(huì)連成一體。

圖1滑塊碰撞后分圖2滑塊碰撞后粘連

3.原來連在一起的兩個(gè)物體，由于相互之間具有排

斥的力而分開，這也可視為一種碰撞。這種情況可以通過下面的方式實(shí)現(xiàn)。在兩個(gè)滑塊間放置輕質(zhì)

彈簧，擠壓兩個(gè)滑塊使彈簧壓縮，并用一根細(xì)線將兩個(gè)滑塊固定。燒斷細(xì)線，彈簧彈開后落下，兩

個(gè)滑塊由靜止向相反方向運(yùn)動(dòng)（圖3）。

圖3彈簧使靜止滑塊分開

物理量的測量

(1)滑塊的質(zhì)量用天平直接測量。

(2)速度的測量：v＝，式中的Δx為滑塊上擋光板的寬度，Δt為光電計(jì)時(shí)器記錄的滑塊上的擋

光板經(jīng)過光電門的時(shí)間。

碰撞情境的實(shí)現(xiàn)

利用輕質(zhì)彈簧、細(xì)線、彈性碰撞架、膠布、撞針、橡皮泥等設(shè)計(jì)各種類型的碰撞，通過在滑塊上添

加已知質(zhì)量的物塊來改變碰撞物體的質(zhì)量。

(1)情境1：質(zhì)量不同的兩滑塊，一靜一動(dòng)碰撞；

(2)情境2：兩滑塊追碰、相向碰，碰撞后分開；

(3)情境3：兩滑塊擠壓彈簧后用細(xì)線連接，燒斷細(xì)線后兩滑塊分開；

(4)情境4：兩滑塊碰撞后，撞針插入橡皮泥中，使滑塊連成一體。

數(shù)據(jù)記錄與處理

(1)規(guī)定正方向，碰撞前后速度的方向與正方向相同為正，相反為負(fù)。

(2)通過計(jì)算碰撞前后的總動(dòng)量，檢驗(yàn)是否滿足動(dòng)量守恒定律。

探究點(diǎn)二、研究斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒

本案例中，我們研究兩個(gè)小球在斜槽末端發(fā)生碰撞的情況。

實(shí)驗(yàn)器材

斜槽、小球(兩個(gè))、天平、復(fù)寫紙、白紙等．

測質(zhì)量：用天平測出兩個(gè)小球的質(zhì)量，并選質(zhì)量大的小球?yàn)槿肷湫∏颉?/p>

實(shí)驗(yàn)裝置：

將斜槽安裝在水平桌面上，并調(diào)整斜槽使其末端水平，在地面上鋪上白紙，上面再鋪好復(fù)寫紙，記

下重垂線所指的位置O。

實(shí)驗(yàn)操作：

如圖所示。將斜槽固定在鐵架臺(tái)上，使槽的末端水平。讓一個(gè)質(zhì)量較大的小球（入射小球）從斜槽

上滾下跟放在斜槽末端的另一個(gè)大小相同、質(zhì)量較小的小（被碰小球）發(fā)生正碰。

使入射小球從斜槽不同高度處滾下，測出兩球的質(zhì)量以及它們每次碰撞前后的速度，就可以驗(yàn)證動(dòng)

量守恒定律。

實(shí)驗(yàn)裝置

小球的質(zhì)量可以用天平來測量。怎樣測量兩球碰撞前后瞬間的速度呢？兩個(gè)小球碰撞前后瞬間的速

度方向都是水平的，因此，兩球碰撞前后的速度，可以利用平拋運(yùn)動(dòng)的知識(shí)求出。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中也可以不測量速度的具體數(shù)值。做平拋運(yùn)動(dòng)的小球落到地面，它們的下落高度相同，

飛行時(shí)間也就相同。因此，小球碰撞后的速度之比就等于它們落地時(shí)飛行的水平距離之比。根據(jù)這

一思路，也可以驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。

實(shí)驗(yàn)操作：

注意事項(xiàng)：

(1)“水平”和“正碰”是操作中應(yīng)盡量予以滿足的前提條件。

(2)斜槽末端必須水平。

(3)入射球的質(zhì)量應(yīng)大于被碰球的質(zhì)量。

(4)入射球每次都必須從斜槽上同一位置由靜止開始滾下。

隨堂練習(xí)

例1如圖所示，用碰撞實(shí)驗(yàn)器可以驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，即研究兩個(gè)小球在軌道水平部分碰撞前后的

動(dòng)量關(guān)系．

(1)實(shí)驗(yàn)中，直接測量小球碰撞前后的速度是不容易的，但是，可以通過僅測量______(填選項(xiàng)前的符

號(hào))，間接地解決這個(gè)問題．

A．小球開始釋放高度h

B．小球拋出點(diǎn)距地面的高度H

C．小球做平拋運(yùn)動(dòng)的射程

(2)圖中O點(diǎn)是小球拋出點(diǎn)在地面上的垂直投影，實(shí)驗(yàn)時(shí)先讓入射球m1多次從斜軌上Q位置靜止釋

放，找到其平均落地點(diǎn)的位置P，測量平拋射程OP，然后，把被碰小球m2靜置于軌道的水平部分，

再將入射球m1從斜軌上Q位置靜止釋放，與小球m2相碰，并多次重復(fù)．接下來要完成的必要步驟

是________．(填選項(xiàng)前的符號(hào))

A.用天平測量兩個(gè)小球的質(zhì)量m1、m2

B.測量小球m1開始釋放的高度h

C.測量拋出點(diǎn)距地面的高度H

D.分別找到小球m1、小球m2相碰后平均落地點(diǎn)的位置M、N

E.測量平拋射程OM、ON

【答案】：(1)C(2)ADE

【解析】(1)小球碰前和碰后的速度都用平拋運(yùn)動(dòng)來測量，即v＝.而由H＝gt2知，每次豎

直高度相等，平拋時(shí)間相等．即m1＝m1＋m2；則可得m1·OP＝m1·OM＋m2·ON，故只

需測射程，C項(xiàng)正確．

(2)由表達(dá)式知，在OP已知時(shí)，需測量m1、m2、OM和ON，故必要步驟為A、D、E.

例2某同學(xué)用如圖甲所示裝置來驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，實(shí)驗(yàn)時(shí)先讓小球a從斜槽軌道上某固定點(diǎn)處由

靜止開始滾下，在水平地面上的記錄紙上留下痕跡，重復(fù)10次；然后再把小球b靜置在斜槽軌道末

端，讓小球a仍從原固定點(diǎn)由靜止開始滾下，和小球b相碰后，兩球分別落在記錄紙的不同位置處，

重復(fù)10次．回答下列問題：

(1)在安裝實(shí)驗(yàn)器材時(shí)斜槽的末端應(yīng)________．

(2)小球a、b質(zhì)量ma、mb的大小關(guān)系應(yīng)滿足ma________mb，兩球的半徑應(yīng)滿足ra________rb.(均

選填“＞”“＜”或“＝”)

(3)本實(shí)驗(yàn)中小球平均落地點(diǎn)的位置距O點(diǎn)的距離如圖乙所示，小球a、b碰后的平均落地點(diǎn)依次是

圖乙中的________點(diǎn)和________點(diǎn)．

(4)在本實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證動(dòng)量守恒的式子是下列選項(xiàng)中的________．

A．ma·OC＝ma·OA＋mb·OB

B．ma·OB＝ma·OA＋mb·OC

C．ma·OA＝ma·OB＋mb·OC

【答案】(1)保持水平(2)＞＝(3)A,C(4)B

【解析(1)小球離開軌道后應(yīng)做平拋運(yùn)動(dòng)，所以在安裝實(shí)驗(yàn)器材時(shí)斜槽的末端必須保持水平，才能使

小球做平拋運(yùn)動(dòng)．

(2)為防止在碰撞過程中入射小球被反彈，入射小球a的質(zhì)量