实验：验证机械能守恒定律学案-高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

实验：验证机械能守恒定律【学习目标】1.明确验证机械能守恒定律的基本思路并能进行相关量的测量.2.能正确进行实验操作，分析实验数据得出结论，能定性地分析产生误差的原因．【课堂探究】思考：1.机械能守恒的条件是什么？它有哪些表达形式？___________________________________________________________________________________2.做自由落体运动的物体，机械能守恒吗？试推导机械能守恒的表达式？___________________________________________________________________________________一、实验器材重物、打点计时器、纸带、_______、铁架台、夹子、天平、_____________。实验原理___________________________________________________________________________________[速度测量]vn=数据处理[方案一]验证从第一个点O到某个点n过程中机械能守恒。_____________________________________________________________________________________[方案二]验证从第m点(m≠1)到第n点过程中机械能守恒。_____________________________________________________________________________________[方案三]图像法_____________________________________________________________________________________[注意事项][误差分析]【课后达标】1.利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验。(1)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的________。A．动能变化量与势能变化量B．速度变化量与势能变化量C．速度变化量与高度变化量(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是________。A．交流电源B．刻度尺C．天平(含砝码)(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到图乙所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m。从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp＝________，动能变化量ΔEk＝________。(4)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是________。A．利用公式v＝gt计算重物速度B．利用公式v＝eq\r(2gh)计算重物速度C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响D．没有采用多次实验取平均值的方法(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2­h图象，并做如下判断：若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒。请你分析论证该同学的判断依据是否正确。__________________________________。2．在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法正确的是（）A．必须用秒表测重物下落的时间B．选用质量小的重物可减小实验误差C．实验时必须先用天平测出重物的质量D．实验中不得用公式v＝求下落高度h时的速度3．在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列叙述不正确的是（）A．安装打点计时器时，纸带两个限位孔应在同一竖直线上B．实验时，应先松开纸带让重物下落，再接通电源C．若纸带上开头打出的几个点模糊不清，也可设法用后面清晰的点进行验证D．重物所受重力应远大于它所受到的空气阻力和纸带所受到的打点计时器的阻力4.(多选)如图所示是用自由落体法验证机械能守恒定律时得到的一条纸带，有关尺寸在图中已注明。我们选中n点来验证机械能守恒定律，下面举出一些计算n点速度的方法，其中正确的是()A．vn＝gnTB．vn＝g(n－1)TC．vn＝eq\f(sn＋sn＋1,2T)D．vn＝eq\f(hn＋1－hn－1,2T)5．如图所示的装置由气垫导轨、两个光电门、滑块和砂桶等组成，光电门可以测出滑块的遮光板分别通过两个光电门的时间Δt1、Δt2，游标卡尺可以测出遮光板的宽度d，导轨标尺可以测出两个光电门间的距离L，另用天平测出滑块、砂桶(含砂)的质量分别为M和m，下列说法正确的是()A．用该装置可以测出滑块通过两光电门的速度，并计算出滑块运动的加速度aB．用该装置验证牛顿第二定律时，要保证拉力近似等于砂桶(含砂)的重力，因此必须满足m≤MC．可以用该装置验证机械能守恒定律，但必须满足m＜MD．可以用该装置探究“功和速度变化的关系”6.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并标在图中，单位是cm。打点计时器工作频率为50Hz，重力加速度g取9.8m/s2。(1)设重物质量为m(kg)，重物在2点的速度v2＝________，在5点的速度v5＝________，此过程中动能增加量ΔEk＝________，重力势能减少量ΔEp＝________。由以上可得出实验结论：________________________________。(2)重物获得的动能往往________(A.大于B．小于C．等于)减少的重力势能，实验中产生系统误差的原因是________________。(3)根据实验判断下列图象正确的是(其中ΔEk表示重物动能的变化量，Δh表示物体下落的高度)()6.某实验小组在用重物下落来验证机械能守恒。（1）下图是四位同学释放纸带瞬间的照片，你认为操作正确的是______A．B．C．D．（2）关于接通电源和放手让重物运动的先后顺序，下列说法正确的是_______A．接通电源和放手应同时

B．先接通电源后放手C．先放手后接通电源

D．以上说法都不对（3）选出一条清晰的纸带如图所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数点。用刻度尺测得，，。在计数点A和B、B和C之间还各有一个点，重锤的质量为。打点计时器工作频率为，当地的重力加速度g为。打点计时器打下计数点B时，重锤的速度大小为=_______。从打下O到打下B点过程中重锤动能增加量_______J，重力势能减少量_______J。（计算结果均保留三位有效数字）（4）实验中发现重锤获得的动能小于减少的重力势能，则产生系统误差的原因可能是___________________________________________（至少写出一条主要原因）。7.用如图甲所示的实验装置验证质量分别为m1、m2的物体组成的系统机械能守恒。物体m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量来验证机械能是否守恒。如图乙所示是实验中获取的一条纸带，0点是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点未画出，计数点间的距离如图所示。已知m1＝50g，m2＝150g，打点计时器的工作频率为50Hz。(g取10m/s2，结果保留两位有效数字)(1)下面列举了该实验的几个操作步骤：其中操作不当的步骤是________(填选项对应的字母)；A．按照图示的装置安装器件B．将打点计时器接到直流电源上C．先释放m2，再接通电源打出一条纸带D．测量纸带上某些点间的距离E．根据测量的结果，分别计算系统减少的重力势能和增加的动能(2)在纸带上打下计数点5时的速度v＝________m/s；(3)在打点0～5过程中系统动能的增加量ΔEk＝________J，系统重力势能的减少量ΔEp＝________J，由此得出的结论是____________________；(4)若某同学作出eq\f(v2,2)­h图象如图所示，写出计算当地重力加速度g的表达式________，并计算出当地的实际重力加速度g＝________m/s2。8．如图所示，某同学在一次实验中，利用某物体打出了一条纸带，A、B、C、D、E、F是纸带上6个依次打的点，打点计时器的电源频率为50Hz。该同学用毫米刻度尺测量A点到其它各点的距离，并记录在图中。（1）物体运动的加速度是________m/s2（保留两位有效数字）（2）该同学最可能完成的是下列哪个实验？________。A．探宄加速度与力、质量的关系B．验证机械能守恒定律C．测量木块与木板间的动摩擦因数（3）根据第（2）问的结论，若要求出物体在运动过程中受到的阻力，还需测量的物理量是_______（用字母表示并说明含义）。用还需测得的量及加速度a表示物体在运动过程中所受阻力的表达式f=_________（当地重力加速度为g）。9．小胡、小黄和小丁三位同学打算利用气垫导轨验证机械能守恒定律，如图甲是他们所用的实验装置示意图。已知光电计时系统可以测出滑块的挡光片通过各光电门所用的时间，回答下列问题：（1）小胡同学测出挡光片的宽度d，记录下滑块先后通过光电门1和2所用的时间分别为t1和t2，并用刻度尺和重垂线测得光电门1和2的竖直高度差为h，已知重力加速度为g，则可以验证滑块沿气垫导轨下滑过程机械能守恒的表达式为___________。（2）小黄同学认为要想实验结果更理想，可以采取以下措施，这些措施中不必要的是()A．挡光片的宽度d适当小些B．光电门1和2的竖直高度差h适当大些C．滑块由静止释放的位置离光电门1适当远些D．每次实验滑块都要从同一位置由静止释放（3）小丁同学还想利用该实验数据得到当地的重力加速度g，但恰好光电门1坏了。他在实验中保持光电门1的位置不变，并使每次实验滑块都从同一位置由静止释放，改变h的大小（光电门2始终位于光电门1水平线以下），记录下滑块通过光电门2的时间t，并作出图线，如图乙所示。可知滑块每次通过光电门1所用时间为___________；当地的重力加速度g=___________（a、b和d表示）。10．为了验证机械能守恒定律，某学习小组用如图1所示的气垫导轨装置（包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条）进行实验。在导轨上选择两个适当的位置A、B安装光电门Ⅰ、Ⅱ，并连接数字计时器；用刻度尺分别测量A、B点到水平桌面的高度h1、h2。（1）用游标卡尺测量遮光条的宽度5.2mm。（2）某次实验中，测得滑块通过光电门Ⅰ的时间s，则滑块通过光电门Ⅰ的瞬时速度___________m/s（保留两位有效数字）。（3）将滑块从光电门Ⅰ左侧某处由静止开始释放，测出滑块通过光电门Ⅰ、Ⅱ的时间分别为和。在误差允许范围内，若___________（用d、、以及重力加速度g表示），则可认为滑块下滑过程中机械能守恒。（4）另一小组的同学想用如图3所示的装置做此实验。在实验前通过垫块平衡了小车所受的阻力。该小组同学认为，平衡阻力后小车和砂桶系统的机械能是守恒的，你是否同意？并说明理由_________________________________________。11．某实验小组想利用实验室里的弹簧弹射器（内壁光滑）等器材来测量弹簧的弹性势能，将质量m的弹丸（可看作质点）压缩弹簧到位置P，由静止弹射出去，忽略一切阻力，通过弹丸的初动能从而求得弹簧的弹性势能：（1）甲小组的同学设计的实验装置方案如图甲所示，用铁架台固定住弹射器，实验中测量了弹丸的水平位移x和弹丸下落的高度h，则在安装弹射器时应注意________；弹簧的弹性势能表达式为__________.（2）乙小组的同学设计了如图乙所示装置，水平台面左侧固定弹射器，右侧的位置各安装一个光电门，计时器（图中未画出）与两个光电门相连，并用刻度尺测得两点间的水平距离x.计时器记录下弹丸从A到B所用的时间t.①弹丸被弹射出的速度大小的表达式是________；静止释放弹丸时，弹簧的弹性势能_______.（均用题中字母符号表示）②弹丸被弹射出去后，由于重力作用其运动轨迹会向下有所偏转，这对实验结果_______（填“有”或“没有”）影响.请任选一组实验，给出一条能减小实验误差的建议：______________________.12．“用D