高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册实验：验证动量守恒定律精品课后测评

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一、核心知识点梳理
知识点1：实验目的
验证动量守恒定律：在一维碰撞中，系统不受外力时，总动量保持不变，即m1v1 + m2v2 = m1v1' + m2v2'。
知识点2：实验原理
动量守恒条件：系统合外力为零或内力远大于外力。
速度间接测量：
平抛法（斜槽实验）：用水平位移代替速度（v∝x，因t相同）。
光电门法（气垫导轨）：v = ∆x∆t（∆x为挡光片宽度）。
摆角法：v =2gh（h由摆角计算）。
【题型1：实验原理与操作】
例1.下列是《普通高中物理课程标准》中的三个必做实验，请回答下列问题。
(1)图（a）是“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置图。在平衡摩擦力之后，需挑选质量合适的钩码，使钩码的质量m （选填“远小于”或“远大于”）小车的质量M；图（b）是某次实验得到纸带的一部分，已知打点计时器的打点周期为T，每5个点取一个计数点，测得相邻计数点之间的距离分别为x1、x2、x3、x4，则小车加速度大小a= （用题中已知字母表示，下同）。
(2)小彭同学用游标卡尺测量一小球的直径，如图（c），读数前应通过部件 （选填“A”或“B”）锁定游标尺，该小球的直径 mm。
(3)如图（d）所示为两小球在斜槽末端碰撞验证动量守恒定律的实验。O是斜槽末端在纸面上的投影点，最终确定P点为A球单独落下的落点，M点和N点为两球相碰后的落点，测得OM=x1，OP=x2，ON=x3，A、B两小球质量为mA、mB，在误差范围内，若关系式 成立，即可验证碰撞过程动量守恒。
【举一反三】：
1.用半径相同的两个小球A、B的碰撞验证动量守恒定律，实验装置如图所示，斜槽与水平槽圆滑连接。实验时先不放B球，使A球从斜槽上某一固定点C由静止滚下，落到位于水平地面的记录纸上留下痕迹。再把B球静置于水平槽右端边缘处，让A球仍从C处由静止滚下，A球和B球碰撞后分别落在记录纸上留下各自的痕迹。记录纸上的O点是重垂线所指的位置，若各落点痕迹到O的距离分别为，， ，两球的质量分别为 与 则
(1)下列说法正确的是___________。
A．A球的质量应为20g
B．A球的质量应为10g
C．斜槽必须光滑
D．水平槽必须光滑
(2)未放B球时A球落地点是记录纸上的 点。若A、B碰撞时动量守恒，则应成立的表达式为（用，， ，M，m表示） 。若A、B碰撞时为弹性碰撞，则应成立的表达式为 。（用 ，， 表示）
2.如图（a）所示，某同学用图中装置验证动量守恒定律。先将a球从斜槽轨道上某固定点由静止开始滚下，在水平地面上的记录纸上留下压痕，重复10次，平均落地点为B；再把b球放在斜槽轨道末端水平段的最右端附近静止，让a球仍从原固定点由静止开始滚下，和b球相碰后，两球分别落在记录纸的不同位置处，重复10次，两球平均落地点为A、C。平均落地点的位置A、B、C与抛出点的水平距离分别为、、
(1)小球a、b的质量应该满足ma mb（填“>”、“”、“ m2（防反弹）。
斜槽末端水平，入射球同一高度释放。
落点确定：用最小圆包含10次落点，圆心为平均位置。
误差来源：
系统误差：斜槽不水平、非正碰、气垫导轨摩擦。
偶然误差：质量、位移测量不准。
【题型2：数据处理与误差分析】
例1.物理小组利用频闪照相做“探究碰撞时动量变化的规律”的实验，步骤如下：
①用天平测出滑块A、B的质量分别为200g和300g；
②安装好气垫导轨，调节气垫导轨的调节旋钮，使导轨水平；
③向气垫导轨通入压缩空气；
④把A、B两滑块放在导轨上，并给它们各自一个初速度，同时开始用闪光照相机拍照，闪光的时间间隔设定为△t=0.1s。照片如图所示。该图像是闪光4次拍摄的照片，在这4次闪光的瞬间，A、B两滑块均在0~70cm刻度范围内；第一次闪光时，滑块A恰好通过x=45cm处，滑块B恰好通过x=60cm处；碰撞后有一个滑块处于静止状态，碰撞时间极短。
(1)实验中，碰撞后 （选填“A”或“B”）滑块静止，滑块碰撞位置发生在 cm处。
(2)A、B两滑块碰撞时刻发生在第一次闪光后 s。
(3)设向右为正方向，可计算出碰撞前两滑块的动量之和为 kg·m/s，碰撞后两滑块的动量之和为 kg·m/s。
(4)根据以上实验结果，得出的实验结论为 。
【举一反三】：
1.为了探究碰撞过程中的守恒量，某兴趣小组设计了如图所示的实验。先让质量为 的小球从凹形槽顶端由静止开始滑下，经过O点水平抛出直接落在斜面上 P点。再把质量为 的小球放在水平面上O点，让小球m1仍从凹形槽顶端由静止滑下，与小球m2碰撞后，两小球直接落到斜面上M点和N点。M、P、N三个落点的位置距O点的长度分别为 。
(1)为了减小实验误差，可行的操作是： 。（写出一个即可）
(2)在实验误差允许范围内，若满足关系式 ，则可以认为两球碰撞过程中动量守恒。（用题目中的物理量表示）
(3)为了进一步验证两小球发生的是否是弹性碰撞，必须测量的物理量是______。
A．两小球质量m1、m2B．OM、OP、ON的长度
C．凹槽距桌面的高度hD．桌面高度H和斜面总长度L
(4)某次实验中测得 ，若小球间的碰撞属于弹性正碰，则 。
2.学习了“探究碰撞中的不变量”的实验后，某实验小组选用图甲所示的水平气垫导轨、光电门等测量装置研究两个滑块碰撞过程中系统动量的变化情况。主要实验步骤如下：
①调节气垫导轨水平，并使光电计时器系统正常工作；
②在滑块1上装上挡光片，在滑块2的碰撞端面粘上橡皮泥，测量挡光片宽度L=，用天平测出滑块1和滑块2的质量m1=0.32kg、m2=0.18kg；
③将滑块1和滑块2放在气垫导轨上，滑块2处于静止状态，让滑块1以一定的初速度与滑块2碰撞，撞后两者粘在一起，记下碰前挡光片的遮光时间t1=0.015s和碰后挡光片的遮光时间t2=0.024s；
(1)滑块1碰前的动量p1= ；两滑块碰撞后的总动量p2= （计算结果保留两位有效数字）；
(2)p1与p2的大小有差异，其原因可能是 。（写一条即可）
3.为验证碰撞中的动量是否守恒，某实验小组选取两个体积相同、质量不相等的小球，按下述步骤进行实验。
①用天平测出两小球的质量（分别为和，且）；
②按图安装好实验装置，将斜槽固定在桌边，使斜槽末端切线水平，先不放小球，让竖直挡板紧贴斜槽末端，再让小球从斜糟顶端P处由静止释放，记下小球在竖直挡板上的撞击位置O；
③将竖直挡板向右平移距斜槽末端一定距离，确保小球在碰撞前后均能撞击固定竖直挡板；
④先不放小球，让小球从斜槽顶端P处由静止释放，记下小球撞击竖直挡板的位置；
⑤将小球放在斜槽末端，再让小球从斜槽顶端P处由静止释放，与发生碰撞，分别记下小球和撞击竖直挡板的位置；
⑥图中A、B、C点是该实验小组记下的小球与竖直挡板撞击的位置，用毫米刻度尺量出各个撞击点到O的距离，分别为、、。
根据该实验小组的测量，回答下列问题：
(1)小球与发生碰撞后，撞击的是图中的 点，撞击的是图中的 点（填字时A、B、C）。
(2)只要满足关系式 （用、、、、表示），则说明碰撞中的动量是守恒的。若测得，则 。
二、总结提升
实验设计核心：确保一维正碰、合外力近似为零（如气垫导轨消摩擦、斜槽末端水平）。
数据处理技巧：
水平位移代替速度（平抛法）。
动量守恒的矢量性（注意方向）。
创新方向：结合能量守恒（弹性碰撞12m1v12 =12m1v'12+12m1v'22）或力传感器验证。
方案
适用情境
待测量
速度计算
验证公式
气垫导轨
一维碰撞
质量、挡光时间
v=∆x∆t
m1v1 + m2v2 = m1v1' + m2v2'
等长摆球
弹性碰撞
质量、摆角、摆长
v=2gl(1−csθ)
同上
小车碰撞（打点计时器）
完全非弹性碰撞
质量、纸带点距
v=∆xT
m1v1=（m1+ m2） v2
斜槽滚球（最常用）
一般碰撞
质量、水平射程（OP, OM, ON）
v∝x
m1OP=m1OM+m2ON