高三一轮探究动能定理 验证机械能守恒定律(鲁科版)

1、机械能机械能探究动能定理探究动能定理验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律第五章一、探究动能定理一、探究动能定理1.实验目的实验目的探究恒力做功与探究恒力做功与 的关系的关系.2.实验原理实验原理探究恒力做功与物体动能变化量的关系，探究恒力做功与物体动能变化量的关系，可通过改变力对物体做的功，测出物体动能的可通过改变力对物体做的功，测出物体动能的相应变化，从而得到恒力做功与物体动能变化相应变化，从而得到恒力做功与物体动能变化量的关系量的关系.物体动能变化量物体动能变化量3.实验器材实验器材附有定滑轮的长木板、薄木块、小附有定滑轮的长木板、薄木块、小车、细线、钩码、打点计时器车、细线、钩码、打点计

2、时器(电磁式电磁式或电火花式或电火花式)、交流电源、交流电源(电磁式配低压，电磁式配低压，电火花配电火花配220V)、导线、天平、导线、天平(带一套砝带一套砝码码)、毫米刻度尺、纸带及复写纸等、毫米刻度尺、纸带及复写纸等.4.实验步骤实验步骤(1)用天平测出小车质量用天平测出小车质量 ,并记录并记录.(2)按图按图5-5-1安装实验器材；要调安装实验器材；要调整定滑轮的高度，使细线与木板整定滑轮的高度，使细线与木板.图图5-5-1平行平行(3)平衡摩擦力：在长木板的不带定平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫薄木块，并反复移动滑轮的一端下面垫薄木块，并反复移动其位置，直到小车在斜面上其位

3、置，直到小车在斜面上运动运动为止为止.(4)细线末端挂上钩码细线末端挂上钩码(要使小车质要使小车质量量钩码的质量钩码的质量)，把纸带的一，把纸带的一端固定在小车的后面，另一端穿过打点端固定在小车的后面，另一端穿过打点计时器，接通电源放开小车，打点计时计时器，接通电源放开小车，打点计时器就在纸带上打下一系列的点，取下纸器就在纸带上打下一系列的点，取下纸带并标记使用的钩码质量带并标记使用的钩码质量.匀速匀速远大于远大于(5)重复步骤重复步骤4，打，打23条纸带条纸带.(6)选一条点迹清晰的纸带分析数据选一条点迹清晰的纸带分析数据. (7)将实验数据填在下表中小车质量将实验数据填在下表中小车质量m=

4、kg,钩码质量钩码质量m0=kg细线拉细线拉力力F=m0g=N.计计数数点点位位移移s/m功功W/J速 度速 度v1/ms-1速 度速 度v2/ms-1动能的动能的变化变化Ek12345(8)结论：恒力所做的功跟动能变化量之间结论：恒力所做的功跟动能变化量之间的关系是恒力所做的功等于物体动能的变化量的关系是恒力所做的功等于物体动能的变化量.5.注意事项注意事项(1)钩码的总质量要远小于小车的质量钩码的总质量要远小于小车的质量.(2)平衡摩擦力时，不要加钩码，但应平衡摩擦力时，不要加钩码，但应连着纸带且接通电源连着纸带且接通电源.(3)小车所受的阻力小车所受的阻力f应包括应包括 .(4)小车应靠

5、近打点计时器，并且要先小车应靠近打点计时器，并且要先后后.小车受小车受的摩擦力和打点计时器对小车后所拖纸的摩擦力和打点计时器对小车后所拖纸带的摩擦力带的摩擦力接通电源接通电源放手放手6.误差分析误差分析(1)实验的系统误差是绳对小车的拉实验的系统误差是绳对小车的拉力小于钩码的总重力力小于钩码的总重力.(2)平衡摩擦力不彻底或平衡过了也平衡摩擦力不彻底或平衡过了也造成误差造成误差.(3)利用打上点的纸带计算小车的速利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准带来误差度时，测量不准带来误差.二、验证机械能守恒定律二、验证机械能守恒定律1.实验目的实验目的验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律.2.实验

6、原理实验原理物体做自由落体运动时，只有重力做功，物体做自由落体运动时，只有重力做功，机械能守恒，利用打点计时器在纸带上记录机械能守恒，利用打点计时器在纸带上记录及测算及测算,，从而验证重力势能减少量，从而验证重力势能减少量Ep=mgh与动能增加量与动能增加量Ek=mv2相等相等.12物体自由下落的高度物体自由下落的高度h瞬时瞬时速度速度v3.实验器材实验器材带铁夹的铁架台、重锤、打点计时器、学生带铁夹的铁架台、重锤、打点计时器、学生电源、纸带、复写纸、刻度尺电源、纸带、复写纸、刻度尺.图图5-5-24.实验步骤实验步骤(1)安装装置：按图安装装置：按图5-5-2将检查、调整好的打点将检查、调整

7、好的打点计时器竖直固定在铁架计时器竖直固定在铁架台上，接好电路台上，接好电路.(2)打纸带：将纸带的一端用夹子打纸带：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在靠近打点计时器的地方.先先电电源，后源，后，让重物带着纸带，让重物带着纸带自由下落自由下落.更换纸带重复做更换纸带重复做35次实验次实验.接通接通松开纸带松开纸带(3)选纸带：分两种情况说明选纸带：分两种情况说明应选点迹清晰，且纸带的最前端应选点迹清晰，且纸带的最前端1、2两点间距离小于或接近两点间距离小于或接

8、近2mm的纸带的纸带.若若1、2两两点间的距离大于点间的距离大于2mm，这是由于先释放纸带，这是由于先释放纸带，后接通电源造成的后接通电源造成的.这样，第这样，第1个点就不是运动个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选的起始点了，这样的纸带不能选.用验证时，由于用验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第的点为基准点，这样纸带上打出的第1、2两两点间的距离是否为点间的距离是否为2mm就无关紧要了，所以就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用只要后面的点迹清晰就可选用.221122BAmvmvmg h(4)数据处

9、理：在起始点标上数据处理：在起始点标上0，在，在以后各点依次标上以后各点依次标上1、2、3用刻度尺用刻度尺测出对应下落高度测出对应下落高度h1、h2、h3利用公利用公式计算出点式计算出点1、点、点2、点、点3的瞬时速度的瞬时速度v1、v2、v3112nnnhhvT5.注意事项注意事项(1)打点计时器要稳定地固定在铁架打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调台上，打点计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，以减小摩擦阻力整在竖直方向，以减小摩擦阻力.(2)应选用应选用的重物，的重物，增大增大可使阻力的影响相对减小，可使阻力的影响相对减小，增大增大可以减小体积，可使空气阻可以减

10、小体积，可使空气阻力减小力减小.质量和密度较大质量和密度较大重力重力密度密度(3)实验中，需保持提纸带的手不实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，待接通电源，动，且保证纸带竖直，待接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带打点计时器工作稳定后，再松开纸带.(4)测量下落高度时，为了减小测测量下落高度时，为了减小测量值量值h的相对误差，选取的各个计数的相对误差，选取的各个计数点要离起始点点要离起始点一些，纸带也不宜一些，纸带也不宜过长，有效长度可在过长，有效长度可在60cm80cm之间之间.(5)不需测出物体质量，只需验不需测出物体质量，只需验证证即可即可.远远212nvghn(6)速度

11、不能用速度不能用vn=gtn或计算，或计算，因为只要认为加速度为因为只要认为加速度为g，机械能当然守，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用能守恒定律，况且用vn=gtn计算出的速度计算出的速度比实际值大，可能会得出机械能增加的结比实际值大，可能会得出机械能增加的结论，而因为摩擦阻力的影响，机械能应该论，而因为摩擦阻力的影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算减小，所以速度应从纸带上直接测量计算.同样的道理，重物下落的高度同样的道理，重物下落的高度h，也只能，也只能用 刻 度 尺 直 接 测 量 ， 而 不 能 用用

12、刻 度 尺 直 接 测 量 ， 而 不 能 用或计算得到或计算得到.2nvghn22nnvhg212nnhgt6.误差分析误差分析(1)本实验中因重物和纸带在下落过本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力程中要克服各种阻力(空气阻力、打点空气阻力、打点计时器阻力计时器阻力)做功，故动能的增加量做功，故动能的增加量Ek稍稍重力势能的减少量重力势能的减少量Ep ,即即EkEp，这属于系统误差，这属于系统误差.改进的办法是改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力调整器材的安装，尽可能地减小阻力.小于小于(2)本实验的另一个误差来源于长度本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差的测量，

13、属偶然误差.减小误差的办法减小误差的办法是测下落距离时都从是测下落距离时都从0点量起，一次将点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完各打点对应的下落高度测量完.或者多或者多次测量取平均值来减小误差次测量取平均值来减小误差.(3)打点计时器产生的误差打点计时器产生的误差由于交流电周期的变化，引起打由于交流电周期的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差；点时间间隔变化而产生误差；读数点选择不好，振动片振动不读数点选择不好，振动片振动不均匀，纸带放置方法不正确引起摩擦，均匀，纸带放置方法不正确引起摩擦，均可造成实验误差均可造成实验误差.“探究动能改变量与合外力探究动能改变量与合外力做功关系做功关系”探

14、究方法的拓展探究方法的拓展 在在“探究动能定理探究动能定理”实验中，某实验中，某探究小组同学设计了相关方案并选择了探究小组同学设计了相关方案并选择了如图如图5-5-3所示的器材，让小车在橡皮条所示的器材，让小车在橡皮条的作用下弹出后沿木板滑行，已知打点的作用下弹出后沿木板滑行，已知打点计时器所接交流电的频率为计时器所接交流电的频率为50Hz,试分析：试分析：图图5-5-3图图5-5-4(1)为了消除摩擦力的影响，应该采取的为了消除摩擦力的影响，应该采取的措施是措施是；(2)当他们分别用同样的橡皮条当他们分别用同样的橡皮条1双、双、2双、双、3双双并起来分别进行第一次、第二次、第并起来分别进行第

15、一次、第二次、第三次三次实验时实验时,每次实验中橡皮条拉伸的长每次实验中橡皮条拉伸的长度保持一致，将第一次实验中橡皮条对小车度保持一致，将第一次实验中橡皮条对小车做的功记为做的功记为W.因橡皮条对小车做功而使小车因橡皮条对小车做功而使小车获得的速度可以由打点计时器和纸带测出，获得的速度可以由打点计时器和纸带测出，如图如图5-5-4所示为四次实验中得到的纸带所示为四次实验中得到的纸带.试根试根据以上信息完成表格内容的填写据以上信息完成表格内容的填写.(3)从表中数据可以得到的结论是：从表中数据可以得到的结论是：.实验次数实验次数1234橡皮条对小橡皮条对小车做的功车做的功小车速度大小车速度大小小

16、v/ms-1速度的平方速度的平方v2/m2s-2 (1)这个实验设计非常巧妙，这个实验设计非常巧妙，它很好地避开了测量物体受力的麻烦，它很好地避开了测量物体受力的麻烦，不需要测量和计算每次橡皮条对物体做不需要测量和计算每次橡皮条对物体做的功，只要确定各次做功是第一次做功的功，只要确定各次做功是第一次做功的多少倍就可以了，因为每双橡皮条的的多少倍就可以了，因为每双橡皮条的形变都是一样的，因此每双橡皮条对物形变都是一样的，因此每双橡皮条对物体做的功都是一样的体做的功都是一样的.在得出实验结论在得出实验结论的时候，只需要得出合外力做功与物体的时候，只需要得出合外力做功与物体动能改变量之间的比例关系即

17、可动能改变量之间的比例关系即可.(2)在这个实验中，采用了打点计时器在这个实验中，采用了打点计时器来测量物体运动的速度，在处理纸带的时来测量物体运动的速度，在处理纸带的时候要注意，物体开始的时候做加速运动，候要注意，物体开始的时候做加速运动，当橡皮条恢复原长以后，物体做匀速运动，当橡皮条恢复原长以后，物体做匀速运动，所以要在纸带上选用那些间距较大且相对所以要在纸带上选用那些间距较大且相对均匀的点来确定小车速度均匀的点来确定小车速度.答案：答案：(1)将木板固定，有打点计时将木板固定，有打点计时器的一端适当垫高，给小车一个初速度，器的一端适当垫高，给小车一个初速度，连着纸带的小车可以在木板上匀速

18、下连着纸带的小车可以在木板上匀速下滑滑.(此时小车所受到的阻力与小车重力此时小车所受到的阻力与小车重力沿斜面向下的分力平衡沿斜面向下的分力平衡)这样做的目的这样做的目的是使得物体不受摩擦力的影响，橡皮条是使得物体不受摩擦力的影响，橡皮条对物体做的功就等于合外力对物体做的对物体做的功就等于合外力对物体做的功功.(2)对表格补充填写如下对表格补充填写如下：(3)橡皮条对小车做的功与小车获橡皮条对小车做的功与小车获得速度的平方之比不变得速度的平方之比不变.实验次数实验次数1234橡皮条对小橡皮条对小车做的功车做的功2W3W4W小车速度大小车速度大小小v/ms-11.001.421.732.00速度的

19、平方速度的平方v2/m2s-21.02.03.04.0 为了探究外力做功与物体为了探究外力做功与物体动能变化的关系，查资料得知，弹簧的动能变化的关系，查资料得知，弹簧的弹性势能弹性势能Ep=kx2，其中，其中k是弹簧的劲是弹簧的劲度系数，度系数，x是弹簧长度的变化量是弹簧长度的变化量.某同学某同学就设想用压缩的弹簧推静止的小球就设想用压缩的弹簧推静止的小球(已已知质量为知质量为m)运动来探究这一问题运动来探究这一问题.为了为了研究方便，把小球研究方便，把小球O放在水平桌面上做放在水平桌面上做实验，让小铁球实验，让小铁球O在弹力作用下运动，在弹力作用下运动，即只有弹簧推力做功即只有弹簧推力做功.

20、12该同学设计实验如下：首先进行如该同学设计实验如下：首先进行如图图5-5-5甲所示的实验：将轻质弹簧竖直甲所示的实验：将轻质弹簧竖直挂起来，在弹簧的另一端挂上小铁球挂起来，在弹簧的另一端挂上小铁球O，静止时测得弹簧的伸长量为静止时测得弹簧的伸长量为d.图图5-5-5在此步骤中，目的是要确定物理量在此步骤中，目的是要确定物理量.用用m、d、g表示表示.接着进行如图接着进行如图5-5-5乙乙所示的实验：将这根弹簧水平放在桌面所示的实验：将这根弹簧水平放在桌面上，一端固定，另一端被小铁球上，一端固定，另一端被小铁球O压缩，压缩，测得压缩量为测得压缩量为x，释放弹簧后，小铁球，释放弹簧后，小铁球O被

21、推出去，从高为被推出去，从高为h的水平桌面上抛出，的水平桌面上抛出，小铁球小铁球O在空中运动的水平距离为在空中运动的水平距离为L.小铁球小铁球O的初动能的初动能Ek1=.小铁球小铁球O的末动能的末动能Ek2=.(用用m、h、L、g表示表示)弹簧对小铁球弹簧对小铁球O做的功做的功W=.(用用m、x、d、g表示表示)对比对比W和和Ek2-Ek1就可以得出就可以得出“外力外力做功与物体动能变化的关系做功与物体动能变化的关系”，即在实，即在实验误差允许范围内，外力所做的功等于验误差允许范围内，外力所做的功等于物体动能的变化物体动能的变化.该题也是探究做功与物体动能变化的关系，该题也是探究做功与物体动能

22、变化的关系，但是在课本实验的基础上进行了变化和创但是在课本实验的基础上进行了变化和创新，主要考查了灵活应用知识的能力和创新，主要考查了灵活应用知识的能力和创新能力新能力在图甲所示的步骤中，目的是确定弹簧的在图甲所示的步骤中，目的是确定弹簧的劲度系数劲度系数k.由平衡条件得：由平衡条件得：mg=kd即即k=mg/d.12022220220.1211(/ 2 )2241.22kkEhgtLv tmgLEmvm L ghhmgxWkxd在图乙所示的实验中，小铁球的初动能又根据小球做平抛运动得：所以弹簧对小铁球做的功等于弹性势能的减少所以“验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律”实实验装置的迁移运用验装

23、置的迁移运用图图5-5-6在利用电在利用电磁打点计时器磁打点计时器(电磁电磁打点计时器所用电打点计时器所用电源频率为源频率为50Hz)“验验证机械能守恒定律证机械能守恒定律”的实验中：的实验中：(1)某同学用图某同学用图5-5-6所示装置进行所示装置进行实验，得到如图实验，得到如图5-5-7所示的纸带，把第所示的纸带，把第一个点一个点(初速度为零初速度为零)记作记作O点，测出点点，测出点O、A间的距离为间的距离为68.97cm，点，点A、C间的距间的距离为离为15.24cm，点，点C、E间的距离为间的距离为16.76cm，已知当地重力加速度为，已知当地重力加速度为9.8m/s2，重锤的质量为，

24、重锤的质量为m=1.0kg，则打，则打点计时器在打点计时器在打O点到点到C点的这段时间内，点的这段时间内， 重锤动能的增加量为重锤动能的增加量为J，重力势能，重力势能的减少量为的减少量为J.(2)利用这个装置也可以测量重锤下利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度落的加速度a= m/s2.图图5-5-7(3)在实验中发现，重锤减少的重力在实验中发现，重锤减少的重力势能总大于重锤增加的动能，其原因主势能总大于重锤增加的动能，其原因主要是因为在重锤带着纸带下落的过程中要是因为在重锤带着纸带下落的过程中存在着阻力的作用，用题目中给出的已存在着阻力的作用，用题目中给出的已知量求出重锤下落过程中受到的平均

25、阻知量求出重锤下落过程中受到的平均阻力大小为力大小为N.本题主要考查本题主要考查“验证机械能守验证机械能守恒定律恒定律”这个实验的基本原理和应用，这个实验的基本原理和应用，还有误差分析，并且综合考查了牛顿第还有误差分析，并且综合考查了牛顿第二定律二定律.(1)C点速度点速度则则C点的动能为：点的动能为：1.016J=8.00J该过程中重力势能的减少量为该过程中重力势能的减少量为Ep=mg=1.09.8(68.97+15.24)10-2J=8.25J232.00 10/4.00/44 0.02CAEvm sm sT21122Cmv OC(2)加速度加速度(3)由牛顿第二定律得：由牛顿第二定律得：mg-Ff=ma即即Ff=mg-