利用图示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为 m _ 1…——2022 高考物理第 10 题答案解析

2022_全国甲卷

2022 全国 第 10 题 解答题 区分题
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10. 利用图示的实验装置对碰撞过程进行研究。让质量为 $m _ { 1 }$ 的滑块A 与质量为 $m _ { 2 }$ 的静止滑块B在水平气垫导轨上发生碰撞,碰撞时间极短,比较碰撞后A 和B的速度大小 $\nu _ { 1 }$ 和 $\nu _ { 2 }$ ,进而分析碰撞过程是否为弹性碰撞。完成下列填空:

(1)调节导轨水平;

(2)测得两滑块的质量分别为0.510kg和0.304kg。要使碰撞后两滑块运动方向相反,应选取质量为\_kg 的滑块作为A;

(3)调节B的位置,使得A 与B接触时,A 的左端到左边挡板的距离 $S _ { 1 }$ 与B的右端到右边挡板的距离$s _ { 2 }$ 相等;

(4)使A 以一定的初速度沿气垫导轨运动,并与B碰撞,分别用传感器记录A 和B从碰撞时刻开始到各自撞到挡板所用的时间 $t _ { 1 }$ 和 $t _ { 2 }$ ;

(5)将B放回到碰撞前的位置,改变 A 的初速度大小,重复步骤(4)。多次测量的结果如下表所示;

<table><tr><td rowspan=1 colspan=1></td><td rowspan=1 colspan=1>1</td><td rowspan=1 colspan=1>2</td><td rowspan=1 colspan=1>3</td><td rowspan=1 colspan=1>4</td><td rowspan=1 colspan=1>5</td></tr><tr><td rowspan=1 colspan=1> $t _ { \mathrm { 1 } } / \mathrm { s }$ </td><td rowspan=1 colspan=1>0.49</td><td rowspan=1 colspan=1>0.67</td><td rowspan=1 colspan=1>1.01</td><td rowspan=1 colspan=1>1.22</td><td rowspan=1 colspan=1>1.39</td></tr><tr><td rowspan=1 colspan=1> $t _ { 2 } / \mathbf { s }$ </td><td rowspan=1 colspan=1>0.15</td><td rowspan=1 colspan=1>0.21</td><td rowspan=1 colspan=1>0.33</td><td rowspan=1 colspan=1>0.40</td><td rowspan=1 colspan=1>0.46</td></tr><tr><td rowspan=1 colspan=1> $k = \frac { \nu _ { 1 } } { \nu _ { 2 } }$ </td><td rowspan=1 colspan=1>0.31</td><td rowspan=1 colspan=1> $k _ { 2 }$ </td><td rowspan=1 colspan=1>0.33</td><td rowspan=1 colspan=1>0.33</td><td rowspan=1 colspan=1>0.33</td></tr></table>

(6)表中的 $k _ { 2 } =$ (保留2位有效数字);

⑦ $\frac { \nu _ { 1 } } { \nu _ { 2 } }$ 的平均值为\_\_\_\_\_\_;(保留2位有效数字)

(8)理论研究表明,对本实验的碰撞过程,是否为弹性碰撞可由 $\frac { \nu _ { 1 } } { \nu _ { 2 } }$ 判断。若两滑块的碰撞为弹性碰撞,则 $\frac { \nu _ { 1 } } { \nu _ { 2 } }$ 的理论表达式为\_ (用 $m _ { \mathrm { l } }$ 和 $m _ { 2 }$ 表示),本实验中其值为 \_\_(保留2位有效数字),若该值与(7)中结果间的差别在允许范围内,则可认为滑块A 与滑块B在导轨上的碰撞为弹性碰撞。【答案】 ①. 0.304 ②. 0.31 ③. 0.32 ④. $\frac { m _ { 2 } - m _ { 1 } } { 2 m _ { 1 } }$ ⑤. 0.34

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【解析】

【详解】(2)[1]应该用质量较小的滑块碰撞质量较大的滑块,碰后运动方向相反,故选 0.304kg的滑块作为 A。

(6)[2]由于两段位移大小相等,根据表中 数据可得的

$$ k _ { 2 } = \frac { \nu _ { 1 } } { \nu _ { 2 } } = \frac { t _ { 2 } } { t _ { 1 } } = \frac { 0 . 2 1 } { 0 . 6 7 } = 0 . 3 1 $$

(7)[3] $\frac { \nu _ { 1 } } { \nu _ { 2 } }$ 平均值为

$$ { \overline { { k } } } = { \frac { 0 . 3 1 + 0 . 3 1 + 0 . 3 3 + 0 . 3 3 + 0 . 3 3 } { 5 } } = 0 . 3 2 $$

(8)[4][5]弹性碰撞时满足动量守恒和机械能守恒,可得

$$ m _ { 1 } \nu _ { 0 } = - m _ { 1 } \nu _ { 1 } + m _ { 2 } \nu _ { 2 } $$

$$ { \frac { 1 } { 2 } } m _ { 1 } \nu _ { 0 } ^ { 2 } = { \frac { 1 } { 2 } } m _ { 1 } \nu _ { 1 } ^ { 2 } + { \frac { 1 } { 2 } } m _ { 2 } \nu _ { 2 } ^ { 2 } $$

联立解得

$$ \frac { \nu _ { _ 1 } } { \nu _ { _ 2 } } { = } \frac { m _ { _ 2 } - m _ { _ 1 } } { 2 m _ { _ 1 } } $$

代入数据可得

$$ \frac { \nu _ { _ 1 } } { \nu _ { _ 2 } } = 0 . 3 4 $$

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