(浙江選考)2020版高考物理一輪復習 實驗17 探究碰撞中的不變量夯基提能作業(yè)本.docx
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實驗17探究碰撞中的不變量1.(2018浙江11月選考,21,4分)小明做“探究碰撞中的不變量”實驗的裝置如圖1所示,懸掛在O點的單擺由長為l的細線和直徑為d的小球A組成,小球A與放置在光滑支撐桿上的直徑相同的小球B發(fā)生對心碰撞,碰后小球A繼續(xù)擺動,小球B做平拋運動。圖1(1)小明用游標卡尺測小球A直徑如圖2所示,則d=mm。又測得了小球A質(zhì)量m1,細線長度l,碰撞前小球A拉起的角度和碰撞后小球B做平拋運動的水平位移x、豎直下落高度h。為完成實驗,還需要測量的物理量有:。圖2(2)若A、B兩球碰后粘在一起形成新單擺,其周期(選填“小于”、“等于”或“大于”)粘合前單擺的周期(擺角小于5)。答案(1)14.40小球B的質(zhì)量m2,A球碰撞后擺角的大小(2)大于解析(1)根據(jù)游標卡尺的讀數(shù)方法可知,d=14 mm+80.05 mm=14.40 mm。碰撞過程中動量守恒,m1v1=m1v1+m2v2,a球碰前的速度可以由mgl(1-cos )=12m1v12得出,故還需要測小球B的質(zhì)量m2,以及碰后A球的擺角從而來測定碰后的a球的速度。(2)若碰后粘在一起形成新單擺,其擺長會變大,根據(jù)單擺周期公式T=2lg,單擺的周期會變大。2.某實驗小組在“探究碰撞中的不變量”實驗中,采用如圖所示裝置通過半徑相同的A、B兩球的碰撞來進行探究。圖中PQ是斜槽,QR為水平槽。實驗時先使A球從斜槽上某一固定位置G由靜止開始滾下,落到位于水平地面的記錄紙上,留下痕跡。重復上述操作10次,得到10個落點痕跡。再把B球放在水平槽上靠近末端的地方,讓A球仍從位置G自靜止開始滾下,和B球碰撞后,A、B球分別在記錄紙上留下各自的落點痕跡。重復這種操作10次。圖中的O點是水平槽末端R在記錄紙上的垂直投影點。B球落點痕跡如圖所示,其中米尺水平放置,且平行于G、R、O所在平面,刻度尺的零刻度線與O點對齊。(1)碰撞后B球的水平射程應取為cm。(2)(多選)在以下選項中,哪些是本次實驗必須進行的測量(填選項號)。A.水平槽上未放B球時,測量A球落點位置到O點的距離;B.A球與B球碰撞后,測量A球落點位置到O點的距離;C.測量A球或B球的直徑;D.測量A球或B球的質(zhì)量;E.測量G點相對水平槽面的高度。答案(1)64.0(63.864.2)(2)ABD解析(1)應取將所有點包含在內(nèi)的最小圓的圓心為落地點。(2)根據(jù)動量守恒定律,實驗需要滿足公式mAv0=mAv1+mBv2。因為碰撞后做平拋運動,下落的高度相同,所以下落時間相同,故mAOB=mAOA+mBOC,即測量mA、mB、OB、OA、OC,所以需要測量A球和B球的質(zhì)量以及A球兩次落地時的水平距離和B球落地時的水平距離。3.某學習興趣小組的同學為了驗證動量守恒定律,分別用如下圖的三種實驗裝置進行實驗探究,圖中斜槽末端均水平。(1)用圖甲和圖乙所示裝置進行實驗時,若入射小球質(zhì)量為m1,半徑為r1;被碰小球質(zhì)量為m2,半徑為r2,則。A.m1m2,r1r2B.m1m2,r1m2,r1=r2D.m10,即m1-m20,m1m2;為了使兩球發(fā)生正碰,兩小球的半徑相同,有r1=r2。故選C。(2)P為碰前入射小球落點的平均位置,M為碰后入射小球的位置,N為碰后被碰小球的位置,碰撞前入射小球的速度為v0=OPt,碰撞后入射小球的速度為v1=OMt,碰撞后被碰小球的速度為:v2=ONt,其中t為小球做平拋運動的時間,由動量守恒有m1v0=m1v1+m2v2,可得m1OP=m1OM+m2ON。(3)為了驗證兩球碰撞過程動量守恒,需要測量兩小球的質(zhì)量,小球1質(zhì)量m1,小球2質(zhì)量m2,小球1碰撞前后的速度可以根據(jù)機械能守恒定律測出,所以還需要測量OC與OB夾角,需要通過平拋運動測量出小球2碰后的速度,需要測量桌面的高度h。4.某同學利用如圖甲所示的裝置測量輕質(zhì)彈簧的彈性勢能,將輕質(zhì)彈簧放置在光滑水平桌面上,左端固定,右端與一個小球接觸但不拴接,調(diào)整左端位置并固定,使彈簧處于原長時,小球恰好位于桌子邊緣O點向左推小球至C點后由靜止釋放,小球離開桌面后落到水平地面的P點。(1)現(xiàn)測得桌面邊緣O點至P點的豎直高度為h,水平距離為x,小球A的質(zhì)量為m1,重力加速度的大小為g,則:小球離開桌面時的速度大小v0=。小球A在C點時彈簧的彈性勢能Ep=(填空均用已知物理量或測得物理量的符號表示)。(2)該同學用這套實驗裝置繼續(xù)驗證碰撞時動量是否守恒,如圖乙所示,他在桌子邊緣放置另一半徑相等、質(zhì)量為m2(m2m2;按圖所示,安裝好實驗裝置。將斜槽AB固定在桌邊,使槽的末端點的切線水平,將一斜面BC連接在斜槽末端;先不放小球2,讓小球1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下,記下小球在斜面上的落點位置。將小球2放在斜槽末端處,讓小球1仍從斜槽頂端A處由靜止開始滾下,使它們發(fā)生碰撞,記下小球1和小球2在斜面上的落點位置;用毫米刻度尺量出各個落點位置到斜槽末端點B的距離。圖中D、E、F點是該同學記下的小球在斜面上的幾個落點位置,到B點的距離分別為LD、LE、LF。根據(jù)該同學的實驗,回答下列問題:(1)在沒有放小球2時,讓小球1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下,小球1的落點是圖中的點;(2)用測得的物理量來表示,只要滿足關系式,則說明碰撞中動量是守恒的;(3)用測得的物理量來表示,只要再滿足關系式,則說明兩小球的碰撞是彈性碰撞。答案(1)E(2)m1LE=m1LD+m2LF(3)m1LE=m1LD+m2LF解析(1)小球1從斜槽頂端A處由靜止開始滾下,落點在題圖中的E點。(2) 碰撞前,小球1落在題圖中的E點,設其水平初速度為v1。小球1和2發(fā)生碰撞后,小球1的落點在題圖中的D點,設其水平初速度為v1,小球2的落點是題圖中的F點,設其水平初速度為v2。設斜面BC與水平面的傾角為,由平拋運動規(guī)律得LD sin =12gt2,LD cos =v1t,解得:v1=gLDcos22sin,同理可解得v1=gLEcos22sin,v2=gLFcos22sin,所以只要滿足m1v1=m1v1+m2v2即m1LE=m1LD+m2LF,則說明兩球碰撞過程中動量守恒。(3)若兩小球的碰撞是彈性碰撞,則碰撞前、后機械能沒有損失,需要滿足關系式12m1v12=12m1v12+12m2v22,即m1LE=m1LD+m2LF。6.某小組用如圖所示的裝置驗證動量守恒定律。裝置固定在水平面上,圓弧形軌道下端切線水平。兩球半徑相同,兩球與水平面的動摩擦因數(shù)相同。實驗時,先測出A、B兩球的質(zhì)量mA、mB,讓球A多次從圓弧形軌道上某一位置由靜止釋放,記下其在水平面上滑行距離的平均值x0,然后把球B靜置于軌道下端水平部分,并將A從軌道上同一位置由靜止釋放,并與B相碰,重復多次。(1)為確保實驗中球A不反向運動,則mA、mB應滿足的關系是;(2)寫出實驗中還需要測量的物理量及符號:;(3)若碰撞前后動量守恒,寫出動量守恒的表達式:;(4)取mA=2mB,x0=1 m,且A、B間為完全彈性碰撞,則B球滑行的距離為。答案(1)mAmB(2)需要測量碰撞后球A、B在水平面滑行的距離xA、xB(3)mAx0=mAxA+mBxB(4)169 m解析(1)為防止兩球碰撞后入射球反彈,入射球的質(zhì)量應大于被碰球的質(zhì)量,即mAmB;(2)碰撞后兩球做減速運動,設碰撞后的速度為vA、vB由動能定理得-mAgx0=0-12mAv02-mAgxA=0-12mAvA2-mBgxB=0-12mBvB2如果碰撞過程動量守恒,則mAv0=mAvA+mBvB解得mAx0=mAxA+mBxB,實驗需要測量碰撞后球A、B在水平面滑行的距離xA、xB。(3)由(2)可知,若碰撞前后動量守恒,寫出動量守恒的表達式為mAx0=mAxA+mBxB。(4)如果碰撞過程是完全彈性碰撞,碰撞過程系統(tǒng)動量守恒,以向右為正方向,由動量守恒定律得mAx0=mAxA+mBxB,由機械能守恒定律得12mAv02=12mAvA2+12mBvB2已知:mA=2mB,x0=1 m解得xB=169 m。7.在學習了“探究碰撞中的不變量”的實驗后,得出了動量守恒定律,反過來我們可以利用該實驗中的有關方案來驗證動量守恒定律。下面是某實驗小組選用水平氣墊導軌、光電門的測量裝置來研究兩個滑塊碰撞過程中系統(tǒng)動量的變化情況。實驗儀器如圖甲所示。實驗過程:(1)調(diào)節(jié)氣墊導軌水平,并使光電計時器系統(tǒng)正常工作。(2)在滑塊1上裝上擋光片,用游標卡尺測得其擋光寬度L如圖乙所示,則L= mm。(3)在滑塊2的碰撞端面粘上橡皮泥(或雙面膠紙)。(4)用天平測出滑塊1和滑塊2的質(zhì)量m1=0.4 kg、m2=0.2 kg。(5)把滑塊1和滑塊2放在氣墊導軌上,讓滑塊2處于靜止狀態(tài)(v2=0),用滑塊1以初速度v1與之碰撞(這時光電計時器系統(tǒng)自動計算時間),撞后兩者粘在一起,分別記下滑塊1的擋光片碰前通過光電門1的擋光時間t1和碰后通過光電門2的擋光時間t2。(6)先根據(jù)v=Lt計算滑塊1碰撞前的速度v1及碰后兩者的共同速度v;再計算兩滑塊碰撞前后的動量,并比較兩滑塊碰撞前后的動量的矢量和。實驗數(shù)據(jù):(請在表格的空白處填上相應文字或數(shù)據(jù))次數(shù)滑塊1滑塊2碰前系統(tǒng)動量(kgms-1)碰后系統(tǒng)動量(kgms-1)v1/(ms-1)v/(ms-1)v2/(ms-1)v/(ms-1)m1v1m2v2(m1+m2)v10.2900.19200.19200.11520.4530.29600.2960結(jié)論:;。答案(2)1.0(6)0.1160.1810.178在誤差允許的范圍內(nèi),碰撞前系統(tǒng)動量矢量和等于碰后系統(tǒng)動量矢量和解析(2)由題圖乙所示游標卡尺可知,其精度為0.1 mm,示數(shù)為1 mm+00.1 mm=1.0 mm;(6) 由表中實驗數(shù)據(jù)可知,動量:m1v1=0.40.290 kg m/s=0.116 kg m/s,m1v1=0.40.453 kg m/s=0.181 kg m/s,(m1+m2)v=(0.4+0.2)0.296 kg m/s=0.178 kg m/s;由表中實驗數(shù)據(jù)可知,在誤差允許范圍內(nèi),碰撞過程系統(tǒng)動量守恒。8.利用氣墊導軌和光電門進行“探究碰撞中的不變量”這一實驗,氣墊導軌的左側(cè)與一傾斜軌道平滑連接,滑塊在水平氣墊導軌上運動時可忽略阻力。讓滑塊A在左側(cè)傾斜軌道的P點由靜止釋放,然后與靜止在光電門C和光電門D之間的滑塊B發(fā)生碰撞,如圖所示。(1)實驗中滑塊B備有甲、乙兩種,甲種滑塊左端裝有彈性圈,乙種滑塊左端裝有橡皮泥,與滑塊A碰撞后會粘在一起。若要求碰撞時動能損失最大,則應選用種滑塊(填“甲”或“乙”),若要求碰撞時動能損失最小,則應選用種滑塊(填“甲”或“乙”);(2)某同學選取左端裝有橡皮泥的滑塊B進行實驗,兩滑塊的質(zhì)量分別為mA和mB,滑塊A從P點釋放后,通過光電門C的時間為t1,與滑塊B粘在一起后通過光電門D的時間為t2,則在誤差允許的范圍內(nèi),只需驗證等式成立即說明碰撞過程中兩滑塊組成的系統(tǒng)動量守恒;(3)在(2)的某次實驗中,滑塊通過光電門C和光電門D的時間分別為t1=0.05 s和t2=0.15 s,那么滑塊A和滑塊B的質(zhì)量之比為mAmB=。答案(1)乙甲(2)mAt2=(mA+mB)t1(或mA/t1=(mA+mB)/t2)(3)12解析(1)若要求碰撞時動能損失最大,則應選用左端裝有橡皮泥的乙種滑塊。若要求碰撞時動能損失最小,則應選用左端裝有彈性圈的甲種滑塊。(2)設遮光條寬度為d,滑塊A從P點釋放后,通過光電門C的時間為t1,則滑塊A通過光電門C的速度v1=dt1;與滑塊B粘在一起后通過光電門D的時間為t2,則滑塊A與滑塊B粘在一起后通過光電門D的速度v2=dt2;若碰撞過程中兩滑塊組成的系統(tǒng)動量守恒,則mAv1=(mA+mB)v2,即mAdt1=(mA+mB)dt2,整理得mAt1=mA+mBt2或mAt2=(mA+mB)t1。(3)某次實驗中,滑塊通過光電門C和光電門D的時間分別為t1=0.05 s和t2=0.15 s,則mA0.05s=mA+mB0.15s,解得mAmB=12。- 配套講稿:
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