高中物理 第16章 第1節(jié) 實(shí)驗(yàn)：探究碰撞中的不變量課件 新人教版選修3-5.ppt

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成才之路 物理,路漫漫其修遠(yuǎn)兮 吾將上下而求索,人教版 選修3-5,動(dòng)量守恒定律,第十六章,第一節(jié) 實(shí)驗(yàn)：探究碰撞中的不變量,第十六章,碰撞是自然界中常見(jiàn)的現(xiàn)象。兩節(jié)火車(chē)車(chē)廂之間的掛鉤靠碰撞連接，臺(tái)球由于兩球的碰撞而改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。微觀粒子之間更是由于相互碰撞而改變能量，甚至使得一種粒子轉(zhuǎn)化為其他粒子。 碰撞前后會(huì)不會(huì)有什么物理量保持不變呢？,1.一維碰撞 兩個(gè)物體碰撞前沿_________運(yùn)動(dòng)，碰撞后_____________運(yùn)動(dòng)。這種碰撞叫做一維碰撞。 2．探尋守恒量 在一維碰撞的前提下，設(shè)兩個(gè)物體的質(zhì)量分別為m1、m2，碰撞前它們的速度分別為v1、v2，碰撞后的速度分別為v′1、v′2。,實(shí)驗(yàn)的基本思路,同一直線,仍沿這條直線,實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì),寬度,光電門(mén),單擺擺長(zhǎng),小車(chē)勻速,1.將以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的數(shù)據(jù)填入下表中 從上表中的三個(gè)關(guān)系中，找出碰撞前和碰撞后相等的關(guān)系量。,數(shù)據(jù)處理,一、實(shí)驗(yàn)過(guò)程 1．實(shí)驗(yàn)器材 方案一：氣墊導(dǎo)軌、光電計(jì)時(shí)器、天平、滑塊(兩個(gè))、彈簧片、細(xì)線、彈性碰撞架、膠片、撞針、橡皮泥等。 方案二：帶細(xì)線的擺球(兩個(gè))、鐵架臺(tái)、天平、量角器、坐標(biāo)紙、膠片等。 方案三：光滑長(zhǎng)木板、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、小車(chē)(兩個(gè))、天平、撞針、橡皮泥等。,2．實(shí)驗(yàn)步驟 不論采用哪種方案，實(shí)驗(yàn)過(guò)程均可按實(shí)驗(yàn)方案合理安排，參考步驟如下： (1)用天平測(cè)量相關(guān)的質(zhì)量； (2)安裝實(shí)驗(yàn)裝置； (3)使物體發(fā)生碰撞； (4)測(cè)量或讀出有關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出物體的速度； (5)改變碰撞條件重復(fù)上述3、4步； (6)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理通過(guò)分析對(duì)比，找出碰撞中的不變量； (7)整理實(shí)驗(yàn)器材。,二、注意事項(xiàng) 1．保證兩物體發(fā)生的是一維碰撞。即兩個(gè)物體碰撞前沿同一直線運(yùn)動(dòng)，碰撞后仍沿同一直線運(yùn)動(dòng)。 2．氣墊導(dǎo)軌是一種精度較高的現(xiàn)代化教學(xué)儀器。切忌振動(dòng)、重壓，嚴(yán)防碰傷和劃傷，禁止在不通氣的情況下將滑塊在軌面上滑磨。 3．若利用氣墊導(dǎo)軌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)整氣墊導(dǎo)軌時(shí)注意應(yīng)利用水平儀確保導(dǎo)軌水平。,4．利用擺球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以將實(shí)驗(yàn)儀器靠在一個(gè)大型的量角器上，這樣可以較準(zhǔn)確地讀出小球擺動(dòng)的角度，以減小誤差。 5．若利用擺球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，兩小球靜止時(shí)球心應(yīng)在同一水平線上，以便對(duì)心碰撞，且剛好接觸時(shí)，擺線豎直，將小球拉起后，兩條擺線應(yīng)在同一豎直面內(nèi)。 6．碰撞有很多情形，我們追尋的不變量必須在各種碰撞情況下都不改變，才符合要求。,三、誤差分析 1．碰撞前后是否在一條直線上，與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有關(guān)。氣墊導(dǎo)軌很好地控制了兩個(gè)物體碰撞的一維性，其他兩個(gè)設(shè)計(jì)都存在碰撞不是嚴(yán)格的一維碰撞的問(wèn)題，造成實(shí)驗(yàn)的誤差。 2．碰撞中是否受其他力(例如：摩擦力)的影響是帶來(lái)誤差的又一個(gè)重要原因，實(shí)驗(yàn)中要合理控制實(shí)驗(yàn)條件，盡量減小或避免除碰撞時(shí)相互作用力外的其他力影響物體速度。 3．測(cè)量及讀數(shù)的準(zhǔn)確性也是造成誤差的一個(gè)重要原因，實(shí)驗(yàn)中要規(guī)范讀數(shù)和測(cè)量，盡量減小誤差因素的影響。 方案一相比之下較為準(zhǔn)確，研究的項(xiàng)目也可以更多一些。,某同學(xué)運(yùn)用以下實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)了一個(gè)碰撞實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找碰撞前后的不變量：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源(頻率為50Hz)、紙帶、表面光滑的長(zhǎng)木板、帶撞針的小車(chē)A、帶橡皮泥的小車(chē)B、天平。 該同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下： A．用天平測(cè)出小車(chē)A的質(zhì)量為mA＝0.4kg、小車(chē)B的質(zhì)量為mB＝0.2kg B．更換紙帶重復(fù)操作三次,探究一維碰撞中的不變量,C．小車(chē)A靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器放置，在車(chē)后固定紙帶，把小車(chē)B放在長(zhǎng)木板中間 D．把長(zhǎng)木板平放在桌面上，在一端固定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，連接電源 E．接通電源，并給小車(chē)A一定的初速度vA (1)請(qǐng)將以上步驟按操作的先后順序排列出來(lái)______。 (2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶中，比較理想的一條如圖所示，根據(jù)這些數(shù)據(jù)完成下表。,,解析：(1)按照先安裝，后實(shí)驗(yàn)，最后重復(fù)的順序，該同學(xué)正確的實(shí)驗(yàn)步驟為ADCEB。 (2)碰撞前后均為勻速直線運(yùn)動(dòng)，由紙帶上的點(diǎn)跡分布求出速度。碰后小車(chē)A、B合為一體，求出AB整體的共同速度。注意打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的頻率為50Hz，打點(diǎn)時(shí)間間隔為0.02s，通過(guò)計(jì)算得下表。,(3)由表中數(shù)值可看出mv一行中數(shù)值相同，可猜想碰撞前后不變量的表達(dá)式為mAvA＋mBvB＝(mA＋mB)v。 答案：(1)ADCEB (2)見(jiàn)解析 (3)mAvA＋mBvB＝(mA＋mB)v,(青州市實(shí)驗(yàn)中學(xué)2014～2015學(xué)年高二下學(xué)期期中)在用氣墊導(dǎo)軌做“探究碰撞中的不變量”實(shí)驗(yàn)時(shí)，左側(cè)滑塊質(zhì)量m1＝170 g，右側(cè)滑塊質(zhì)量m2＝110 g，擋光片寬度為3.00 cm，兩滑塊之間有一壓縮的彈簧片，并用細(xì)線連在一起，如圖所示。,(河北邢臺(tái)一中2014～2015學(xué)年高二下學(xué)期檢測(cè))某同學(xué)用圖甲所示裝置通過(guò)半徑相同的A、B兩球的碰撞來(lái)尋找守恒量，圖中PQ是斜槽，QR為水平槽，實(shí)驗(yàn)時(shí)先使A球從斜槽上某一固定位置G由靜止開(kāi)始滾下，落到位于水平地面的記錄紙上，留下痕跡，重復(fù)上述操作10次，得到10個(gè)落點(diǎn)痕跡，再把B球放在水平槽上靠近槽末端的地方，讓A球仍從位置G由靜止開(kāi)始滾下，和B球碰撞后，A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點(diǎn)痕跡，重復(fù)這種操作10次，圖中O是水平槽末端口在記錄紙上的垂直投影點(diǎn)，,實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新,(1) 碰撞后B球的水平射程應(yīng)為_(kāi)_______cm。 (2)若mv為守恒量，在以下選項(xiàng)中，哪些是本次實(shí)驗(yàn)必須進(jìn)行的測(cè)量( ) A. 水平槽上未放B球時(shí)，測(cè)量A球落點(diǎn)位置到O點(diǎn)的距離 B．A球與B球碰撞后，測(cè)量A球落點(diǎn)位置到O點(diǎn)的距離 C．測(cè)量A球或B球的直徑 D．測(cè)量A球和B球的質(zhì)量 E．測(cè)量G點(diǎn)相對(duì)于水平槽面的高度,(3)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)入射小球在斜槽上釋放點(diǎn)的高低對(duì)實(shí)驗(yàn)影響的說(shuō)法中正確的是________。 A．釋放點(diǎn)越低，小球受阻力越小，入射小球速度越小，誤差越小 B．釋放點(diǎn)越低，兩球碰后水平位移越小，水平位移測(cè)量的相對(duì)誤差越小，兩球速度的測(cè)量越準(zhǔn)確 C．釋放點(diǎn)越高，兩球相碰時(shí)，相互作用的內(nèi)力越大，阻力的影響相對(duì)越小，誤差越小 D．釋放點(diǎn)越高，入射小球?qū)Ρ慌鲂∏虻淖饔昧υ酱?，軌道?duì)被碰小球的阻力越小,解析：(1)將10個(gè)點(diǎn)圈在圓內(nèi)的最小圓的圓心作為平均落點(diǎn)，可由刻度尺測(cè)得碰撞后B球的水平射程為64.7cm，因最后一位數(shù)字為估計(jì)值，允許誤差0.1cm，因此64.6cm和64.8cm也是正確的。 (2)從同一 高度做平拋運(yùn)動(dòng)飛行的時(shí)間t相同，而水平方向?yàn)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)，故水平位移s＝vt，所以只要測(cè)出小球飛行的水平位移，就可以用水平位移代替平拋初速度，亦即碰撞前后的速度，證明mAOP′與mAOM＋mBON是否相等，即可以說(shuō)明兩個(gè)物體碰撞前后各自的質(zhì)量與其速度的乘積之和是否相等，故必須測(cè)量的是兩球的質(zhì)量和水平射程，即選項(xiàng)A、B、D是必須進(jìn)行的測(cè)量。,(3)入射球的釋放點(diǎn)越高，入射球碰撞前的速度越大，相撞時(shí)作用力越大，阻力的影響相對(duì)越小，也有利于減小測(cè)量水平位移時(shí)的相對(duì)誤差，從而使實(shí)驗(yàn)的誤差減小，故A、B、D錯(cuò)誤，C正確。 答案：(1)64.7cm(64.6～64.8cm均可) (2)ABD (3)C 點(diǎn)評(píng)：該題中利用平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，巧妙的提供了一種測(cè)量碰撞前后的速度的方法，既方便又實(shí)用。,某同學(xué)把兩塊大小不同的木塊用細(xì)線連接，中間夾一被壓縮了的輕彈簧，如圖所示，將這一系統(tǒng)置于光滑的水平桌面上，燒斷細(xì)線，觀察物體的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)行必要的測(cè)量，探究物體間相互作用時(shí)的守恒量。 (1)該同學(xué)還必須有的器材是__________________； (2)需直接測(cè)量的數(shù)據(jù)是____________________； (3)若mv為所探究的守恒量，需要驗(yàn)算的表達(dá)式如何表示？_______________。,,答案：(1)刻度尺 天平 (2)兩木塊的質(zhì)量m1、m2和兩木塊落地點(diǎn)分別到桌子兩側(cè)邊的水平距離x1、x2 (3)m1x1＝m2x2,