2022年高中物理 第2章 能的轉(zhuǎn)化與守恒 第5講 實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案 魯科版必修2

《2022年高中物理 第2章 能的轉(zhuǎn)化與守恒 第5講 實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案 魯科版必修2》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2022年高中物理 第2章 能的轉(zhuǎn)化與守恒 第5講 實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案 魯科版必修2（9頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、2022年高中物理 第2章 能的轉(zhuǎn)化與守恒 第5講 實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案 魯科版必修2 [目標(biāo)定位]　1.會(huì)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度.2.掌握利用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的原理和方法． 一、實(shí)驗(yàn)原理 1．在只有重力做功的自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體的__________轉(zhuǎn)化為_(kāi)_____，總的機(jī)械能____，即mgh＝__________. 2．物體下落高度的測(cè)量：通過(guò)紙帶用________測(cè)出． 3．物體瞬時(shí)速度的測(cè)量、計(jì)算：紙帶上第n個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這個(gè)點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度vn＝________________________(hn＋1、hn－1分別

2、為第n＋1個(gè)點(diǎn)、第n－1個(gè)點(diǎn)到第一個(gè)點(diǎn)的距離)． 想一想　要確定物體的動(dòng)能，需測(cè)出物體下落一定高度時(shí)的速度．根據(jù)已學(xué)過(guò)知識(shí)，可有三種方法：(1)vn＝；(2)vn＝gtn；(3)vn＝，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)采取哪種方法？ 二、實(shí)驗(yàn)器材 鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙、導(dǎo)線、____________、低壓______電源(4～6 V)． 想一想　驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)中是否需要用到天平？ 一、實(shí)驗(yàn)步驟 1．安裝置：按圖1將檢查、調(diào)整好的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上，接好電路． 圖1 2．打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重

3、物上，另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方．先接通電源，后松開(kāi)紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落．更換紙帶重復(fù)做3～5次實(shí)驗(yàn)． 3．選紙帶：選取點(diǎn)跡較為清晰且有兩點(diǎn)間的距離約為2 mm的紙帶，把紙帶上打出的兩點(diǎn)間的距離為2 mm的第一個(gè)點(diǎn)作為起始點(diǎn)，記作0，在距離0點(diǎn)較遠(yuǎn)處再依次選出計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3… 4．測(cè)距離：用刻度尺測(cè)出0點(diǎn)到1、2、3…的距離，即為對(duì)應(yīng)下落的高度h1、h2、h3… 二、數(shù)據(jù)處理 1．方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn) 從起始點(diǎn)到第n個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為mghn，動(dòng)能增加量為mv，計(jì)算ghn和v，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)ghn＝v

4、，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證． 2．方法二：任取兩點(diǎn)A、B 從A點(diǎn)到B點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為mghA－mghB，動(dòng)能增加量為mv－mv，計(jì)算ghAB和v－v，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)ghAB＝v－v，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證． 3．方法三：圖象法 圖2 計(jì)算各計(jì)數(shù)點(diǎn)v2，以v2為縱軸，以各計(jì)數(shù)點(diǎn)到第一個(gè)點(diǎn)的距離h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出v2－h(huán)圖線．若在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)圖象是一條過(guò)原點(diǎn)且斜率為g的直線，如圖2所示，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律． 三、誤差分析 重物下落要克服阻力做功，因此減小的重力勢(shì)能略大于增加的動(dòng)能． 四、注意事項(xiàng) 1．盡量減小各種阻力的影響，采取的措施有：

5、 (1)安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，必須使兩個(gè)限位孔的中線嚴(yán)格豎直，以減小摩擦阻力． (2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，以減小阻力的影響． 2．實(shí)驗(yàn)中，提紙帶的手要保持不動(dòng)，且保證紙帶豎直．接通電源后，等打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定再松開(kāi)紙帶． 3．紙帶選取時(shí)以第一個(gè)點(diǎn)為起點(diǎn)時(shí)，要驗(yàn)證的是mv＝mghn，必須保證紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)為重物靜止釋放時(shí)打的點(diǎn)，所以前兩個(gè)點(diǎn)的間距約為h＝gt2＝×10×(0.02)2 m＝2 mm. 4．實(shí)驗(yàn)中的兩種驗(yàn)證方法均不需要測(cè)量重物的質(zhì)量m. 5．計(jì)算速度時(shí)不能用v＝gt或v＝，否則就犯了用機(jī)械能守恒定律去驗(yàn)證機(jī)械能守恒的錯(cuò)誤． 例1　在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中

6、： (1)從下列器材中選出實(shí)驗(yàn)所必須的，其編號(hào)為_(kāi)_______． A．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(包括紙帶) B．重物 C．天平 D．毫米刻度尺 E．秒表 F．運(yùn)動(dòng)小車(chē) (2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的安裝放置要求為_(kāi)_________________；開(kāi)始打點(diǎn)計(jì)時(shí)的時(shí)候，應(yīng)先________________________，然后__________________． (3)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因主要是________________，使重物獲得的動(dòng)能往往________．為減小誤差，懸掛在紙帶下的重物應(yīng)選擇________________________． (4)如果以為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)

7、數(shù)據(jù)繪出的－h(huán)圖線是___________________，該線的斜率等于________________． 例2　在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源的頻率為50 Hz，查得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝9.8 m/s2，某同學(xué)選擇了一條理想的紙帶，用刻度尺測(cè)量時(shí)各計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)刻度尺上的讀數(shù)如圖3所示，圖中O點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的第一個(gè)點(diǎn)，A、B、C、D分別是每打兩個(gè)點(diǎn)取的計(jì)數(shù)點(diǎn)．則重物由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)(重物質(zhì)量為m kg) 圖3 (1)重力勢(shì)能的減少量是________J．動(dòng)能的增加量是________J. (2)重力勢(shì)能的減少量________(“略大于”或“略小于”

8、)動(dòng)能的增加量，原因是________________________． (3)根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)得出的結(jié)論：__________________. 例3　利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示． 圖4 (1)實(shí)驗(yàn)步驟： ①將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，將導(dǎo)軌調(diào)至水平． ②用游標(biāo)卡尺測(cè)出擋光條的寬度l＝9.30 mm. ③由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門(mén)中心間的距離s＝________cm. ④將滑塊移至光電門(mén)1左側(cè)某處，待砝碼靜止不動(dòng)時(shí)，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過(guò)光電門(mén)2. ⑤從數(shù)字計(jì)時(shí)器(圖中未畫(huà)出)上分別讀出擋光條通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)

9、2所用的時(shí)間Δt1和Δt2. ⑥用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，再稱出托盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量m. (2)用表示直接測(cè)量量的字母寫(xiě)出下列物理量的表達(dá)式． ①滑塊通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)2時(shí)，瞬時(shí)速度分別為v1＝________和v2＝________. ②當(dāng)滑塊通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)2時(shí)，系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤(pán)和砝碼)的總動(dòng)能分別為Ek1＝________和Ek2＝________. ③在滑塊從光電門(mén)1運(yùn)動(dòng)到光電門(mén)2的過(guò)程中，系統(tǒng)勢(shì)能的減少量ΔEp＝________(重力加速度為g)． (3)如果ΔEp＝________，則可認(rèn)為驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律． 1．某同學(xué)利用如圖5所示的

10、實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律． 圖5 (1)關(guān)于重物的選擇，以下說(shuō)法中正確的是(　　) A．選用重物時(shí)，密度大體積小的比密度小體積大的好 B．選用重物時(shí)，密度小體積大的比密度大體積小的好 C．選用的重物一定要測(cè)其質(zhì)量 D．重物的質(zhì)量大小與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性無(wú)關(guān) (2)該同學(xué)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)情形如圖所示，接通電源釋放紙帶．請(qǐng)指出該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)操作中存在的兩處明顯錯(cuò)誤或不當(dāng)?shù)牡胤剑? ①____________________；②______________________________________________. 2．在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量為m＝1 kg的重物拖著紙帶下落

11、，在此過(guò)程中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出 一系列的點(diǎn)，在紙帶上選取五個(gè)連續(xù)的點(diǎn)A、B、C、D和E，如圖6所示．其中O為重物開(kāi)始下落時(shí)記錄的點(diǎn)，各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離分別是31.4 mm、49.0 mm、70.5 mm、95.9 mm、124.8 mm.當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭＝9.8 m/s2.本實(shí)驗(yàn)所用電源的頻率f＝50 Hz.(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字) 圖6 (1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下點(diǎn)B時(shí)，重物下落的速度vB＝__________________m/s，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下點(diǎn)D時(shí)，重物下落的速度vD＝________________m/s. (2)從打下點(diǎn)B到打下點(diǎn)D的過(guò)程中，重物重力勢(shì)能減小量ΔEp＝_

12、_________ J，重物動(dòng)能增加量為ΔEk＝__________________________________________________________. (3)由此得到的結(jié)論是_______________________________________________________． 答案精析 第5講　實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué) 一、1.重力勢(shì)能　動(dòng)能　守恒　mv2 2．刻度尺 3. 想一想　第(3)種方法．其中，第(1)種方法是根據(jù)機(jī)械能守恒定律mgh＝mv2得到的，而我們的目的是驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，顯然不能用，根據(jù)這一定律得到的結(jié)論再去驗(yàn)證之，因而

13、不可?。? 第(2)種方法認(rèn)為加速度為g，由于各種摩擦阻力不可避免，所以實(shí)際下落加速度必將小于g，而下落高度h是直接測(cè)量的，這樣將得到機(jī)械能增加的結(jié)論，有阻力作用機(jī)械能應(yīng)是減少的，故這種方法也不能用． 總之，本實(shí)驗(yàn)中速度看似有很多方法求得，但正確的只有一種，即從紙帶上直接求出物體實(shí)際下落的速度，而不能用理論值計(jì)算，同樣的道理，重物下落的高度h也只能用刻度尺直接測(cè)量，而不能用h＝gt2或h＝計(jì)算得到． 二、毫米刻度尺　交流 想一想　不需要天平．要驗(yàn)證的是mv2＝mgh或mv－mv＝mgΔh，只需驗(yàn)證v2＝gh或v－v＝gΔh，因此不需要測(cè)量重物的質(zhì)量m. 課堂講義 例1　(1)ABD

14、 (2)底板要豎直，兩限位孔在一條豎直線上　給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電　釋放重物 (3)紙帶通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)有摩擦阻力和重物下落時(shí)所受空氣阻力　小于所減少的重力勢(shì)能　質(zhì)量和密度大一些的 (4)一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的傾斜直線　重力加速度g 解析　(1)選出的器材有：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(包括紙帶)、重物、毫米刻度尺，編號(hào)分別為：A、B、D.注意因mgh＝mv2，故m可約去，不需要用天平． (2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝時(shí)，底板要豎直，兩限位孔在一條豎直線上．這樣才能使重物在自由落下時(shí)，受到的阻力較?。_(kāi)始記錄時(shí)，應(yīng)先給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電打點(diǎn)，然后再釋放重物，讓它帶著紙帶一同落下． (3)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要原因是紙帶通過(guò)打點(diǎn)

15、計(jì)時(shí)器時(shí)的摩擦阻力和重物下落時(shí)所受空氣阻力，使得重物獲得的動(dòng)能小于它所減少的重力勢(shì)能．為減小誤差，重物的質(zhì)量和密度應(yīng)選大一些的． (4)描繪出來(lái)的－h(huán)圖線是一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的傾斜直線，它的斜率即為重力加速度g. 例2　(1)1.911m　1.89m (2)略大于　見(jiàn)解析 (3)在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)重物減少的重力勢(shì)能等于其增加的動(dòng)能，即機(jī)械能守恒 解析　(1)重力勢(shì)能的減少量為 ΔEp＝mghOB＝m×9.8×0.195 J＝1.911m J. 重物下落到B點(diǎn)時(shí)的速度為 vB＝≈1.944 m/s 所以重物從開(kāi)始下落到B點(diǎn)增加的動(dòng)能為 ΔEk＝mv≈1.89m J. (2

16、)略大于；由于空氣阻力和限位孔的摩擦阻力做功，將部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． (3)從以上計(jì)算的數(shù)據(jù)得出：在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)重物減少的重力勢(shì)能等于其增加的動(dòng)能，即機(jī)械能守恒． 例3　(1)60.00(答案在59.96～60.04之間的，也正確) (2)①　 ②(M＋m)2　(M＋m)2　③mgs (3)Ek2－Ek1 解析　(1)距離s＝80.30 cm－20.30 cm＝60.00 cm. (2)①由于擋光條寬度很小，因此可以將擋光條通過(guò)光電門(mén)時(shí)的平均速度當(dāng)成瞬時(shí)速度，擋光條的寬度l可用游標(biāo)卡尺測(cè)量，擋光時(shí)間Δt可從數(shù)字計(jì)時(shí)器讀出．因此，滑塊通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)2的瞬時(shí)速度分別為

17、v1＝、 v2＝. ②當(dāng)滑塊通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)2時(shí)，系統(tǒng)的總動(dòng)能分別為Ek1＝(M＋m)v＝(M＋m)2； Ek2＝(M＋m)v＝(M＋m)2. ③在滑塊從光電門(mén)1運(yùn)動(dòng)到光電門(mén)2的過(guò)程中，系統(tǒng)勢(shì)能的減少量ΔEp＝mgs. (3)如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)ΔEp＝Ek2－Ek1，則可認(rèn)為驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律． 對(duì)點(diǎn)練習(xí) 1．(1)A　(2)①打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接了直流電 ②重物離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太遠(yuǎn) 解析　(1)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)中，由于重物要克服空氣阻力做功，從而產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，選用密度大體積小的重物能減小空氣阻力的影響，從而減小誤差，A正確，B、D錯(cuò)誤；因驗(yàn)證量中都含有質(zhì)量，故不用測(cè)

18、重物的質(zhì)量，C錯(cuò)誤．(2)本實(shí)驗(yàn)使用的是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，根據(jù)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作原理，必須使用交流電源，而該同學(xué)采用的是直流電源；紙帶總長(zhǎng)約1米左右，且盡可能在紙帶上多打一些點(diǎn)，所以應(yīng)讓重物緊靠打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，而該同學(xué)將重物放的位置離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太遠(yuǎn)，故該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)操作中存在的兩處明顯錯(cuò)誤或不當(dāng)?shù)牡胤绞牵孩俅螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器接了直流電；②重物離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太遠(yuǎn)． 2．見(jiàn)解析 解析　(1)vB＝＝ m/s≈0.978 m/s vD＝＝ m/s≈1.36 m/s (2)ΔEp＝mghBD＝1×9.8×(95.9－49.0)×10－3 J＝0.460 J ΔEk＝m(v－v)＝×1×(1.362－0.9782) J≈0.447 J. (3)在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)重物減少的重力勢(shì)能等于增加的動(dòng)能，即機(jī)械能守恒．