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高中物理选修3-5实验—探究碰撞中的不变量

2019/10/22 10:13:41 暂无评论

[学习目标] 1.探究碰撞中的不变量之间的关系.2.掌握在同一条直线上运动的两个物体碰撞前、后速度的测量方法.3.通过实验得到一维碰撞中的不变量表达式.

一、实验原理

1一维碰撞

两个物体碰撞前沿同一直线运动,碰撞后仍沿这条直线运动.这种碰撞叫做一维碰撞.

2实验的基本思路:寻求不变量

在一维碰撞的情况下,设两个物体的质量分别为m1m2,碰撞前的速度分别为v1v2,碰撞后的速度分别为v1v2,如果速度的方向与我们设定的坐标轴的正方向一致,取正值,反之则取负值.探究以下关系式是否成立:

图片20191022101630.png

二、实验方案设计

方案1:利用气垫导轨结合光电门的实验探究

(1)质量的测量:用天平测量.

(2)速度的测量:vΔX/Δt,式中的Δx为滑块上挡光板的宽度,Δt为数字计时显示器显示的滑块上的挡光板经过光电门的时间. 

(3)碰撞情景的实现:如图1所示,利用弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥设计各种类型的碰撞,利用在滑块上加重物的方法改变碰撞物体的质量.

图片20191022101759.png

(4)器材:气垫导轨、光电计时器、滑块(带挡光板)两个、弹簧片、细绳、弹性碰撞架、胶布、撞针、橡皮泥、天平.

方案2:利用摆球结合机械能守恒定律的实验探究

图片20191022101838.png

(1)所需测量量:悬点至球心的距离l,摆球被拉起(碰后)的角度θ,摆球质量m(两摆球质量可相等,也可不相等)

图片20191022101913.png

(3)碰撞情景的实现:如图2所示,用贴胶布的方法增大两球碰撞时的能量损失.

(4)器材:带细线的摆球(两套)、铁架台、量角器、坐标纸、胶布、天平.

方案3:利用光滑水平面结合打点计时器的实验探究

(1)所需测量量:纸带上两计数点间的距离Δx,小车经过Δx所用的时间Δt,小车质量m.

图片20191022101951.png

(3)碰撞情景的实现:如图3所示,A运动,B静止,在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥,碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两个小车连接成一体.

图片20191022102028.png

(4)器材:长木板、小木块、打点计时器、纸带、刻度尺、小车(两个)、撞针、橡皮泥、天平.

方案4:利用斜槽上滚下的小球结合平抛运动进行的实验探究

如图4甲所示,让一个质量较大的小球从斜槽上滚下来,与放在斜槽水平末端的另一质量较小的小球发生碰撞,之后两小球都做平抛运动.

图片20191022103743.png

(1)质量的测量:用天平测量质量.

(2)速度的测量:由于两小球下落的高度相同,所以它们的飞行时间相等.如果用小球的飞行时间为单位时间,那么小球飞出的水平距离在数值上就等于它的水平速度.只要测出不放被碰小球时入射小球在空中飞出的水平距离s1,以及碰撞后入射小球与被碰小球在空中飞出的水平距离s1s2.就可以表示出碰撞前后小球的速度.

(3)碰撞情景的实现:不放被碰球,让入射球m1从斜槽上某一位置由静止滚下,记录平抛的水平位移s1.

在斜槽水平末端放上被碰球m2,让m1从斜槽同一位置由静止滚下,记下两小球离开斜槽做平抛运动的水平位移s1s2.

探究m1s1m1s1m2s2在误差范围内是否相等.

(4)器材:斜槽、两个大小相等而质量不等的小球、重垂线、白纸、复写纸、刻度尺、天平、圆规.

三、实验步骤

不论哪种方案,实验过程均可按实验方案合理安排,参考步骤如下:

(1)用天平测出相关质量.

(2)安装实验装置.

(3)使物体发生一维碰撞,测量或读出相关物理量,计算相关速度,填入预先设计好的表格.

(4)改变碰撞条件,重复实验.

(5)通过对数据的分析处理,找出碰撞中的不变量.

(6)整理器材,结束实验.

四、数据处理

将实验中测得的物理量填入下表,物体碰撞后运动的速度与原来的方向相反时需要注意正负号.


碰撞前

碰撞后

质量

m1

m2

m1

m2





速度

v1

v2

v1

v2





mv

m1v1m2v2

m1v1m2v2



mv2

m1v12m2v22

m1v12m2v22



v/m()

v1/m1()v2/m2()

v1′/m1()v2′/m2()



其他猜想



 通过研究以上实验数据,找到碰撞前后的不变量”.

五、注意事项

1前提条件:应保证碰撞的两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,碰撞后仍沿这条直线运动.

2方案提醒:

(1)若利用气垫导轨进行实验,调整气垫导轨时,注意利用水平仪确保导轨水平.

(2)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.

(3)利用打点计时器进行实验,必须首先平衡摩擦力.

(4)利用平抛运动进行实验,斜槽末端必须水平,且小球每次从斜槽上同一位置由静止滚下;入射小球质量要大于被碰小球质量.

3探究结论: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.

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