Question

如图所示，用"碰撞实验器"可以验证动量守恒定律，即研究两个小球在轨道水平部分碰撞前后的动量关系：先安装好实验装置，在地上铺一张白纸，白纸上铺放复写纸，记下重垂线所指的位置O.接下来的实验步骤如下：步骤1：不放小球2，让小球1从斜槽上A点由静止滚下，并落在地面上．重复多次，用尽可能小的圆，把小球的所有落点圈在里面，其圆心就是小球落点的平均位置；步骤2：把小球2放在斜槽前端边缘位置B，让小球1从A点由静止滚下，使它们碰撞．重复多次，并使用与步骤1同样的方法分别标出碰撞后两小球落点的平均位置；步骤3：用刻度尺分别测量三个落地点的平均位置M、P、N离O点的距离，即线段OM、OP、ON的长度．

①对于上述实验操作，下列说法正确的是________

A．应使小球每次从斜槽上相同的位置自由滚下

B．斜槽轨道必须光滑

C．斜槽轨道末端必须水平

D．小球1质量应大于小球2的质量

②上述实验除需测量线段OM、OP、ON的长度外，还需要测量的物理量有________．

A．A、B两点间的高度差h₁

B．B点离地面的高度h₂

C．小球1和小球2的质量

D．小球1和小球2的半径r

③当所测物理量满足表达式______________(用所测物理量的字母表示)时，即说明两球碰撞遵守动量守恒定律．如果还满足表达式______________(用所测物理量的字母表示)时，即说明两球碰撞时无机械能损失．④完成上述实验后，某实验小组对上述装置进行了改造，如图所示．在水平槽末端与水平地面间放置了一个斜面，斜面的顶点与水平槽等高且无缝连接．使小球1仍从斜槽上A点由静止滚下，重复实验步骤1和2的操作，得到两球落在斜面上的平均落点M′、P′、N′.用刻度尺测量斜面顶点到M′、P′、N′三点的距离分别为.则验证两球碰撞过程中动量守恒的表达式为____________(用所测物理量的字母表示)．

Answer

ACD C m1OP＝m1OM＋m2ON m1(OP)2＝m1(OM)2＋m2(ON)2

【解析】试题分析：①②在验证动量守恒定律的实验中，运用平抛运动的知识得出碰撞前后两球的速度，因为下落的时间相等，则水平位移代表平抛运动的速度．根据实验的原理确定需要测量的物理量．③根据动量守恒定律及机械能守恒定律可求得动量守恒及机械能守恒的表达式；④小球落在斜面上，根据水平位移关系和竖直位移的关系，求出初速度与距离的表达式，从而得出动量守恒的表达式．

①因为平抛运动的时间相等，根据，所以用水平射程可以代替速度，则需测量小球平抛运动的射程间接测量速度，A正确；因为实验过程中我们只是得到水平的初速度，所以不需要保证轨道光滑，为了保证小球做平抛运动，且每次做平抛运动的初速度相同，故应保证斜槽末端水平，小球每次都从同一点滑下，B错误C正确；同时为了小球2能飞的更远，防止1反弹，球1的质量应大于球2的质量，故ACD正确．

②根据动量守恒得， ，所以除了测量线段OM、OP、ON的长度外，还需要测量的物理量是小球1和小球2的质量，C正确．

③因为平抛运动的时间相等，则水平位移可以代表速度，OP是A球不与B球碰撞平抛运动的位移，该位移可以代表A球碰撞前的速度，OM是A球碰撞后平抛运动的位移，该位移可以代表碰撞后A球的速度，ON是碰撞后B球的水平位移，该位移可以代表碰撞后B球的速度，当所测物理量满足表达式，说明两球碰撞遵守动量守恒定律，由功能关系可知，只要成立则机械能守恒，故若，说明碰撞过程中机械能守恒．
④碰撞前， 落在图中的P′点，设其水平初速度为．小球和发生碰撞后， 的落点在图中M′点，设其水平初速度为v1′，的落点是图中的N′点，设其水平初速度为． 设斜面BC与水平面的倾角为α，由平抛运动规律得，解得，同理， ，可见速度正比于．所以只要验证即可．