高三物理第一轮复习实验:探究碰撞中的不变量
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《实验:探究碰撞中的不变量》教学设计一、教材分析:《实验:探究碰撞中的不变量》的内容选自人教版物理选修3-5第十六章第一节的内容。
本节从探究实验引导学生了解到了碰撞过程中的一些特点,为以后动量守恒定律的学习奠定了基础,且在原子物理中也有涉及,因此本内容起着承上启下的作用。
教材通过实验情境从特殊到一般化探究,让学生体验碰撞中不变量的猜想认知过程;让学生在实验探究引导和实践中收获“不变量的猜想”成果,体验学习探究过程,了解碰撞前后物块速度的获得方法,发展对学科的兴趣与热情。
教材的核心是引导学生经历对碰撞问题的探究过程,使实验技能训练与科学探究过程有机的结合起来。
二、学情分析:通过前面模块的学习,学生已经知道物体通过相互作用而产生的运动类型,物理研究方法和遵循的一般规律,这为本节的教学奠定了一定的基础。
上节课我们学习了第二节《动量和动量定理》,对学生对不变量的猜想起到引导作用。
学生具备了初步的实验设计能力和实验操作技能;学生对物体通过碰撞从而产生的运动类型也有生活感性认知。
教师要多指导学生学习方法,使其掌握实验内涵。
三、教学目标:(一)知识与技能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.(二)过程与方法1、学习根据实验要求,设计实验,完成某种规律的探究方法。
2、学习根据实验数据进行猜测、探究、发现规律的探究方法。
(三)情感、态度与价值观1、通过对实验方案的设计,培养学生积极主动思考问题的习惯,并锻炼其思考的全面性、准确性与逻辑性。
2、通过对实验数据的记录与处理,培养学生实事求是的科学态度,能使学生灵活地运用科学方法来研究问题,解决问题,提高创新意识。
3、在对实验数据的猜测过程中,提高学生合作探究能力。
四、重、难点:重点:1.猜想两个物体碰撞前、后保持不变的物理量可能的表达形式。
2.如何合理测量物块碰撞前后的速度?3. 实验数据的处理。
第 6 课时 实验:探究碰撞中的不变量 基础知识归纳 1.实验原理 质量分别为m1、m2的两物体相互作用,若相互作用前的速度分别为v1、v2,相互作用后的速度分别是v1′、v2′,并且系统受到外力 之和为零 ,根据动量守恒定律有 m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′ . 2.实验方案 方案一:利用气垫导轨实现两滑块发生一维碰撞. 方案二:利用悬线悬挂的小球实现两球发生一维对心碰撞. 方案三:利用小车在光滑的水平桌面上碰撞另一静止的小车实现一维碰撞. 方案四:利用斜槽上滚下的小球碰撞另一小球实现一维碰撞. 3.实验器材 方案一:气垫导轨、光电计时器、 天平 、滑块(2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:光滑的长木板、打点计时器、纸带、 小车(两个) 、天平、撞针、橡皮泥. 方案四:斜槽、大小相等的、而质量不等的 小钢球(两个) 、重垂线、白纸、复写纸、 天平 、刻度尺、圆规、三角板. 4.数据采集方案 (1)质量的测量:用天平测量相关质量. (2)速度的测量:
方案一:滑块速度的测量:v=ΔxΔt,式中Δx为滑块 挡光片 的宽度(仪器说明书上给出,也可以直接测量),Δt为光电计时器显示的滑块(挡光片)经过 光电门 的时间. 方案二:摆球速度的测量:v= 2 gh,式中h为小球释放时(或碰后摆起)的高度,可以用刻度尺来测量. 方案三:小车速度的测量:v=ΔxΔt,式中Δx是纸带上两计数点间的距离,Δt为小车经过Δx的时间,可以由打点间隔算出. 方案四:小球速度的测量:小球离开斜槽做 平抛 运动,下落高度相同则运动的时间相等,取运动时间为单位时间,速度在数值上等于平抛运动的 水平位移 . 5.实验过程 方案一:用气垫导轨和光电计时器验证动量守恒定律. (1)实验装置如图所示. (2)说明: ①气垫导轨能够很容易地保证两个滑块的相互作用是一维的,光电计时装置可以迅速测量两个滑块相互作用前后的速度. ②实验要从下列几种情形来探究: a.用细线将弹簧拉成弓形,置于质量不等的滑块间,且使它们静止.烧断细线,弹簧片弹开后落下,两滑块向相反方向运动. b.在两滑块相撞的端面装上弹性碰撞架,可得到近似弹性碰撞. c.在两滑块的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥(或贴上尼龙拉扣),可得到完全非弹性碰撞. (3)数据处理: 可得测得的质量m、速度v填入下列表格,并进行计算. 实验情景 用弓形弹片弹开
探究量 质量 (kg) 速度 (m/s) mv (kg·m/s)
碰撞前 m1 v1 m1v1+ m2v2 m2 v2
碰撞后 m1 v1 m1v1′+ m2v2′ ′ m2 v2′ 方案二:用两摆球碰撞验证动量守恒定律. (1)实验装置如图所示. (2)一个小球静止,拉起另一个小球使它摆动到最低点时它们相撞.由小球拉起和摆动的角度来算出小球碰前或碰后的速度.可贴胶布增大两球碰撞时的能量损失,两球质量可相等,也可不相等. (3)数据处理: 实验情景 小球的碰撞端贴胶布
探究量 质量 (kg) 速度 (m/s) mv (kg·m/s)
碰撞前 m1 v1 m1v1+ m2v2 m2 v2
碰撞后 m1 v1′ m1v1′+ m2v2′ m2 v2′ 方案三:用打点计时器和小车的碰撞验证动量守恒定律. (1)实验装置如图所示. (2)小车A连接纸带通过打点计时器,小车B静止,两车碰撞端分别装上撞针和橡皮泥,两车撞后连成一体,通过纸带测出它们碰撞前后的速度. (3)数据处理: 实验情景 小车的碰撞端装撞针与橡皮泥
探究量 质量 (kg) 速度 (m/s) mv (kg·m/s)
碰撞前 m1 v1 m1v1+ m2v2 m2 v2
碰撞后 m1 v1′ m1v1′+ m2v2′ m2 v2′
方案四:利用斜槽上滚下的小球验证动量守恒定律. (1)用天平测出两小球的质量,并选定质量大的小球为入射小球. (2)按照图所示安装实验装置.调整固定斜槽使斜槽底端水平. (3)白纸在下,复写纸在上,且在适当位置铺好,记下重垂线所指的位置O. (4)不放被撞小球,让入射球从斜槽上某固定高度处自由滚下,重复10次.用圆规画尽量小的圆把所有的小球落点圈在里面.圆心P就是小球落点的平均位置. (5)把被撞小球放在斜槽末端,让入射小球从斜槽同一高度自由滚下,使它们发生碰撞,重复实验10次.用步骤4的方法,标出碰后入射小球落点的平均位置M和被撞小球落点的平均位置N.如图所示. (6)连接ON,测量线段OP、OM、ON的长度.将测量数据填入表中.最后代入m1·OP=m1·OM+m2·ON,看在误差允许的范围内是否成立. (7)整理好实验器材放回原处. (8)实验结论:在实验误差允许范围内,碰撞系统的动量守恒. 重点难点突破 一、实验注意事项 1.碰撞有很多种情况,实验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.保证物体发生的是一维碰撞,即两个物体碰撞前沿同一直线运动,碰撞后仍然沿同一直线运动. 3.若利用气垫导轨进行实验,调整气垫导轨时,注意利用水平仪使导轨水平. 4.若利用摆球进行实验,两小球静放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平面内. 5.利用斜槽实验中,斜槽的末端的切线必须水平,并且入射球的质量应大于被碰球的质量. 二、误差分析 1.碰撞是否为一维碰撞,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.是否满足动量守恒的条件是带来误差的又一个原因,实验中要合理控制实验条件,尽量使实验中两物体的碰撞过程本身满足动量守恒的条件.
典例精析 1.气垫导轨上做碰撞实验 【例1】某同学利用打点计时器和气垫导轨做探究碰撞中的守恒量的实验.气垫导轨装置如图(a)所示,所用的气垫导轨装置由导轨、滑块、弹射架等组成.在空腔导轨的两个工作面上均匀分布着一定数量的小孔,导轨空腔内不断通入的压缩空气会从小孔中喷出,使滑块稳定地漂浮在导轨上,这样就大大减小了因滑块和导轨之间的摩擦而引起的误差. (1)下面是实验的主要步骤: ①安装好气垫导轨,调节气垫导轨的调节旋钮,使导轨水平; ②向气垫导轨通入压缩空气; ③把打点计时器固定在紧靠气垫导轨左端弹射架的外侧,将纸带穿过打点计时器,调节打点计时器的高度,直至滑块拖着纸带移动时,纸带始终在水平方向; ④使滑块1挤压导轨左端弹射架上的橡皮绳; ⑤把滑块2放在气垫导轨的中间; ⑥先 ,然后 ,让滑块带动纸带一起运动; ⑦取下纸带,重复步骤④⑤⑥,选出理想的纸带如图(b)所示; ⑧测得滑块1(包括撞针)的质量为310 g,滑块2(包括橡皮泥)的质量为205 g.试完善实验步骤⑥的内容. (2)已知打点计时器每隔0.02 s打一个点,计算可知两滑块相互作用前系统的总动量为 kg·m/s;两滑块相互作用后系统的总动量为 kg·m/s(保留三位有效数字). 计算碰撞前m1v21+m2v22= ; 碰撞后m1v′21+m2v′22= .
计算碰撞前2211mvmv ;
碰撞后2211mvmv= . (3)通过以上计算可知,碰撞中的守恒量应是 . (4)试说明(2)中两结果不完全相等的主要原因是 . 【解析】作用前系统的总动量为滑块1的动量p1=m1v1 v1=(0.2/0.1)m/s=2 m/s p1=(0.31×2)kg·m/s=0.620 kg·m/s 作用后系统的总动量为滑块1和滑块2的动量和,且此时两滑块具有相同的速度v. v=(0.168/0.14)m/s=1.2 m/s p2=(m1+m2)v=(0.310+0.205)×1.2 kg·m/s=0.618 kg·m/s m1v21+m2v22=1.24;m1v′21+m2v′22=0.742
2211mvmv=6.45;2211mvm
v=9.72
通过以上计算可知,碰撞中的守恒量应是滑块1、2碰撞前后的动量总和. 【答案】(1)接通打点计时器的电源;放开滑块1 (2)0.620;0.618;1.24;0.742;6.45;9.72 (3)滑块1、2碰撞前后的动量总和 (4)纸带与打点计时器限位孔有摩擦 【思维提升】(1)气垫导轨上做碰撞实验,阻力小,误差小.(2)实验时一定要保证导轨水平. 【拓展1】气势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验证动量守恒定律,实验装置如图所示,采用的实验步骤如下: a.用天平分别测出滑块A、B的质量mA、mB; b.调整气垫导轨,使导轨处于水平; c.在A和B间放入一个被压缩的轻弹簧,用电动卡销锁定,静止放置在气垫导轮上; d.用刻度尺测出A的左端至C板的距离L1; e.按下电钮放开卡销,同时分别记录滑块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挡板时计时结束,记下A、B分别到达C、D的运动时间t1和t2. (1)实验中还应测量的物理量及其符号是 B与D的距离L2 . (2)利用上述测量的实验数据,验证动量守恒定律的表达式是
2211tLmtLmBA,上式中算得的A、B两滑块的动量大小并不完全相等,产生误
差的原因有 ①L1、L2、mA、mB的数据测量误差.②没有考虑弹簧推动滑块的加速过程.③滑块并不是标准的匀速直线运动,滑块与导轨间有少许摩擦力. (至少答出两点). 【解析】A、B两滑块被压缩的弹簧弹开后,在气垫导轨上运动时可视为匀速运动,因此只要测出A与C的距离L1,B与D的距离L2及A到C、B到D的运动时
间t1和t2.测出两滑块的质量,就可以用2211tLmtLmBA验证动量是否守恒. (1)实验中还应测量的物理量为B与D的距离,符号为L2. (2)验证动量守恒定律的表达式是2211tLmtLmBA 2.斜槽上做碰撞实验