《探究碰撞中的不变量》学案1
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探究碰撞中的不变量
【学习目标】
1. 探究碰撞中不变量和那些物理量有关。
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. 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,令两个物体的质量分别为m1、m2,碰撞前的速度分别为v1、v2,碰撞后的速度分别为v1′、v2′,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:
(1) m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′;
(2) m1v21+m2v22=m1v1′2+m2v2′2;
(3) v1m1+v2m2=v1′m1+v2′m2.
二、需要考虑的问题
1. 质量的测量:用天平测量。
2. 速度的测量:
方案1:利用气垫导轨结合光电门
(1) 所需测量量:滑块(挡光板)的宽度Δx,滑块(挡光板)经过光电门的时间Δt。
(2) 速度的计算:v=ΔxΔt。
(3) 碰撞情景的实现
如图所示,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。
(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。
方案2:利用摆球结合机械能守恒定律
(1) 所需测量量:悬点至球心的距离l,摆球被拉起或碰后的角度θ。
(2) 速度的计算:v=2gl1-cosθ。
(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。
方案3:利用光滑水平面结合打点计时器。
(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。
(2) 速度的计算:v=ΔxΔt。
(3) 碰撞情景的实现:如图所示,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。
(4)器材:长木板、打点计时器、纸带、小车(两个)、撞针、橡皮泥。
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. 通过数据分析处理,找出碰撞中的不变量。