【教育资料】2017-2018学年高中创新设计物理教科版必修2学案：第4章 实验：验证机械能守恒定律学习精品.pdf

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1、教育资源实验：验证机械能守恒定律实验：验证机械能守恒定律阅读教材第 7475 页，“学生实验：验证机械能守恒定律”部分，知道实验原理、实验器材、实验步骤及数据处理。实验目的1会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。2掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。实验原理让物体自由下落，忽略阻力情况下物体的机械能守恒，有两种方案验证物体的机械能守恒：方案一：以物体自由下落的位置O 为起始点，测出物体下落高度 h 时的速度大小 v，若12mv mgh成立，则可验证物体的机械能守恒。2方案二：测出物体下落高度h 过程的初、末时刻的速度v1、v2，v1、v2的计算方法与方112案一的相同。若

2、关系式 mv22 mv1mgh成立，则物体的机械能守恒。22实验器材铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重锤(带纸带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源。实验过程一、实验步骤1安装置：按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。2打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上；另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做35 次实验。3选纸带：选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为 2_mm的纸带，把纸带上打出的两点间的距离为 2 mm 的第一个点作为起始点，记作 O，在距离 O

3、点较远处再依次选出计数点 1、2、34测距离：用刻度尺测出 O 点到 1、2、3的距离，即为对应下落的高度 h1、h2、h3二、数据处理1计算各点对应的瞬时速度：记下第1 个点的位置 O，在纸带上从离O 点适当距离开始选取几个计数点 1、2、3并测量出各计数点到O 点的距离 h1、h2、h3再根据公式教育资源教育资源hn1hn1vn，计算出 1、2、3、4、n 点的瞬时速度 v1、v2、v3、v4vn。2T2机械能守恒验证方法一：利用起始点和第n 点。11从起始点到第 n 个计数点，重力势能减少量为mghn，动能增加量为 mv2n，计算 ghn和2212v2n，如果在实验误差允许的范围内ghn

4、 vn，则机械能守恒定律得到验证。2方法二：任取两点 A、B。112从 A 点到 B 点，重力势能减少量为mghAmghB，动能增加量为 mv2计算 ghABB mvA，22112112和 v2如果在实验误差允许的范围内ghAB v2则机械能守恒定律得到验证。B vA，B vA，2222方法三：图像法。11计算各计数点 v2，以 v2为纵轴，以各计数点到第一个点的距离h 为横轴，根据实验数221据绘出 v2h 图线。若在误差许可的范围内图像是一条过原点且斜率为 g 的直线，则验证2了机械能守恒定律。误差分析1在进行长度测量时，测量及读数不准造成误差。2重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内

5、能，下落高度越大，机械能损失越多，所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象。3由于交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而产生误差。注意事项1应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：(1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力。(2)应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，使空气阻力减小。2纸带选取1(1)以第一个点为起点时，要验证的是 mv2mghn，必须保证纸带上的第一个点为重物2n11静止释放时打的点，所以前两个点的间距为h gt2 10(0.02)2m2 m

6、m。22教育资源教育资源112(2)以下落中某点为起点时，要验证的是 mv2这时选择纸带不需要满足m mvnmghmn，22两点间距为 2 mm。3计算速度时不能用 vgt 或 v 2gh，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误。实验原理与操作精典示例例 1 如图 1 为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题：图 1(1)为完成此实验，除了所给的器材外，还需要的器材有_。(填入正确选项前的字母)A米尺B秒表C012 V 的直流电源D012 V 的交流电源(2)下面列举了该实验的几个操作步骤：A按照图示的

7、装置安装器材B将打点计时器接到电源的“直流输出”上C用天平测出重锤的质量D先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带E测量纸带上某些点间的距离F根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能其中操作不当的步骤是_。(3)实验中误差产生的原因有_(写出两个原因)。(4)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度 a 的数值。根据打出的纸带，选取纸带上连续的五个点 A、B、C、D、E，测出各点之间的距离如图 2 所示。使用交流电源的频率为 f，则计算重锤下落的加速度的表达式a_。(用 x1、x2、x3、x4及 f 表示)图 2解析(1)为完成此实验，除了所给的器材外，测量需要米尺，电源需要

8、012 V 的交流电源。教育资源教育资源(2)其中操作不当的步骤是将打点计时器接到电源的“直流输出”上，打点计时器需要交流电源。(3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时，选取初末两点距离过近；交流电源频率不稳定。(4)由 xaT2得：x3x4x1x2a4T2x3x4x1x2f2。4答案(1)AD(2)B(3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时，选取初、末两点距离过近；交流电源频率不稳定x3x4x1x2f2(4)4实验数据的处理精典示例例 2(2019全国卷)某同学用图 3 甲所示

9、的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有 20 Hz、30 Hz 和 40 Hz，打出纸带的一部分如图乙所示。该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他条件进行推算。图 3(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用 f 和图乙中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出 B 点时，重物下落的速度大小为_，打出 C 点时重物下落的速度大小为_，重物下落的加速度大小为_。(2)已测得 s18.89 cm，s29.50 cm，s310.10 cm；当地重力加速度大小为 9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%。由此推算出

10、f 为_Hz。s1s2s1s2fs2s3f1解析(1)两点间时间间隔为 T，vB，同理vC，重物下落f2T22s3s1f2的加速度的大小为 a。2s3s1f2(2)据 mg0.01mgma 和 a，代入数据可得 f 为 40 Hz。2教育资源教育资源s1s2fs2s3fs3s1f2答案(1)(2)402221甲同学准备做“验证机械能守恒定律”的实验，乙同学准备做“探究加速度与力、质量的关系”的实验。(1)图 4 中 A、B、C、D、E 表示部分实验器材，甲同学需在图中选用的器材有_；乙同学需在图中选用的器材有_。(用字母表示)图 4(2)乙同学在实验室选齐所需器材后，经正确操作获得如图 5 所

11、示的两条纸带和。纸带_(选填“”或“”)的加速度大，其加速度大小为_。图 5答案(1)A、BB、D、E(2)2.50 m/s2(2.482.52 m/s2均可)2在“验证机械能守恒定律”的实验中：(1)从下列器材中选出实验所必须的，其编号为_。A打点计时器(包括纸带)C天平E秒表(或停表)F运动小车(2)进行实验时，为保证重物下落时初速度为零，应_。A先接通电源，再释放纸带B先释放纸带，再接通电源(3)下列说法中正确的是_。A实验中用打点计时器时，一定用到低压直流电源B选用重物时，同样大小、形状的重物应选重一点的比较好C要选用第 1、2 两点距离接近 2 mm 的纸带D实验结果总是动能增加量略

12、小于重力势能的减少量解析(1)打点计时器(含纸带)、重锤是必须的，为了测量计数点的距离，需要毫米刻度1尺；因为是比较 mgh、mv2的大小关系，故 m 可约去，不需要测出重物的质量，不需要用2天平；打点计时器本身可以计算时间，所以不需要秒表，实验用的是重锤，不需要运动小车。故选 A、B、D。(2)开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放纸带，让它带着纸带一同落B重锤D毫米刻度尺教育资源教育资源下。这样有利于数据的采集和处理，减少实验误差。故选A。(3)电火花计时器不用低压电源，电磁打点计时器用低压交流电源，故A 错误；为了减小空气阻力的影响，在选择重物时，要选择密度大的，即选择质量大体

13、积小的重物，B 正确；1由公式 h gt2可知，若开始第 1、2 两点间的距离为 2 mm，则打第 1 个点时的速度为零，21这样只需比较 mgh、mv2的大小关系即可，实验方便，C 正确；由于空气阻力和纸带与计2时器摩擦的影响，实验结果总是动能增加量略小于重力势能的减少量，故D 正确。答案(1)ABD(2)A(3)BCD3(2019巴州高一检测)如图 6 是利用重物自由下落验图 6证机械能守恒定律的实验装置。(1)在验证机械能守恒定律的实验中，没有必要进行的操作是_。A用天平测重物的质量B用秒表测重物下落的时间C用打点计时器记录重物下落的信息D用纸带记录测量重物下落的高度(2)该实验所用打点

14、计时器的电源频率为50 Hz，如图7 所示，A、B、C 为纸带中选取的三个计数点，每两个计数点之间还有 4 个点未画出，则每两个计数点之间的时间间隔 T_s，打点计时器在打下计数点 B 时，物体的下落速度为 vB_m/s。(结果保留两位小数)图 7(3)由于该实验中存在阻力做功，所以实验测得的重物的重力势能的减少量_(选填“”“”或“”)动能的增加量。1解析(1)因为我们是比较 mgh、mv2的大小关系，故m 可约去比较，不需要测出重物2的质量，故 A 错误；我们可以通过打点计时器计算时间，不需要秒表，故B 错误；用打点计时器可以记录重物下落的时间和高度，故 C 正确；用纸带记录测量重物下落的

15、高度，故 D正确。(2)每两个计数点之间还有4 个点未画出，则每两个计数点之间的时间间隔T0.1 s。根教育资源教育资源xAC据匀变速直线运动的规律中间时刻速度等于这段时间中的平均速度得vB2.36 m/s。tAC(3)由于纸带通过时受到较大的阻力和重物受到的空气阻力，重力势能有相当一部分转化为摩擦产生的内能，所以重力势能的减少量明显大于动能的增加量。答案(1)AB(2)0.12.36(3)4某同学做验证机械能守恒定律实验时，不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏，损坏的是前端部分。剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图8 中，单位是 cm。打点计时器工作频率为 50 Hz，重力加速度 g

16、取 9.8 m/s2，重物质量为 m。图 8(1)重物在 2 点时的速度 v2_，在 5 点时的速度 v5_，此过程中动能增加量 Ek_，重力势能减少量 Ep_。由以上可得出实验结论：_。(2)根据实验判断下列图像正确的是(其中 Ek表示重物动能的变化量，h 表示重物下落的高度)()解析(1)根据匀变速直线运动的规律，可以求出重物在 2 点时的速度 v22.83.21024.04.3102m/s1.50 m/s 和重物在 5 点时的速度 v5m/s2.07520.0220.02112m/s，所以动能增加量为 Ek mv2 mv 1.03m J，重物从 2 点到 5 点，重力势能减少量2522为

17、 Epmgh25m9.8(3.23.64.0)102J1.06m J，由以上可得出实验结论为：在误差允许的范围内，机械能守恒。(2)重物机械能守恒，应有重物减少的重力势能转化为增加的动能，即 Ekmgh，可见重物增加的动能与下落的距离成正比，选项C 正确。答案(1)1.50 m/s2.075 m/s1.03m J1.06m J在误差允许的范围内，机械能守恒(2)C5(2019青岛高一检测)利用如图 9 所示实验装置来验证机械能守恒定律。通过电磁铁控制的小铁球从 A 点自由下落，下落过程中小铁球经过光电门B 时，毫秒计时器(图中未画出)记录下小铁球的挡光时间t。实验前调整光电门位置，使小球下落过

18、程中，小铁球球心垂直细激光束通过光电门，当地重力加速度为g。图 9教育资源教育资源(1)为了验证小铁球下落过程中机械能是否守恒，还需要测量的物理量是_。AA 点距地面的高度 HBA、B 之间的距离 hC小铁球从 A 到 B 的下落时间 tABD小铁球的直径 d(2)小铁球通过光电门时的瞬时速度v_；要验证小铁球下落过程中机械能是否守恒，只需验证等式_是否成立即可(用实验中测得物理量的符号表示)。解析(1)根据实验原理可知，需要测量的是A 点到光电门 B 的距离，故 A 错误，B 正确；利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度，不需要测量下落时间，故C 错误；利用小球通过光电门的平均速度来代替

19、瞬时速度时，需要知道挡光物体的尺寸，因此需要测量小球的直径，故D 正确。d(2)利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度，故 v；根据机械能守恒的表达t1式有 mgh mv2，可得212g12g222222h(或 d 2ght)，故只要验证22h(或 d 2ght)即可。tdtdd12g答案(1)BD(2)22h(或 d22ght2)ttd6现利用如图10 所示装置验证机械能守恒定律。图中AB 是固定的光滑斜面，斜面的倾角为 30，1 和 2 是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的光电计时器都没有画出。让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2 各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为

20、5.00102s、2.00102s。已知滑块质量为 2.00 kg，滑块沿斜面方向的长度为5.00 cm，光电门 1 和 2 之间的距离为 0.54 m，g 取 9.80 m/s2，取滑块经过光电门时的速度为其平均速度。图 10教育资源教育资源(1)滑块经过光电门1 时的速度v1_m/s，通过光电门2 时的速度v2_m/s。(2)滑块通过光电门1、2 之间的动能增加量为_J，重力势能的减少量为_J。2L5.0010解析(1)v1 m/s1.00 m/st15.001022L5.0010v2 m/s2.50 m/st22.00102(2)动能增加量1Ek 2.00(2.5021.002)J5.25 J2重力势能的减少量：Ep2.009.800.54sin 30 J5.29 J答案(1)1.002.50(2)5.255.29教育资源