《2020高中物理第4章能量守恒与可持续发展4.2.2研究机械能守恒定律(二)学案沪科版必修2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2020高中物理第4章能量守恒与可持续发展4.2.2研究机械能守恒定律(二)学案沪科版必修2（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 4.2.2 研究机械能守恒定律 ( 二) 实验探究：验证机械能守恒定律 学习目标 1. 理解实验的设计思路， 明确实验中需要直接测量的物理量.2. 知道实验中选取 测量点的有关要求，会根据纸带测定物体下落的高度，掌握测量瞬时速度的方法.3. 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 一、实验原理 只有重力对物体做功的过程，比较物体重力势能的变化量与动能变化量，若满足Ep Ek，则说明机械能守恒 二、两种验证方案 方案一用单摆和DIS 装置验证机械能守恒 1实验步骤 (1) 如图 1，在铁架台上端用铁架悬挂一个摆球 图 1 (2) 在方格纸上确定4 至 5 个点
2、作为测量点 (3) 安装光电传感器，并使之与数据采集器相连接 (4) 让摆球从某一高度向下摆动分别测定摆球在摆动过程中任意时刻的动能和重力势能 (5) 研究每一个测量点上机械能的总量有什么特点 2注意事项 (1) 小球运动时，应使其轨迹在一竖直面内，避免做圆锥摆运动 (2) 调整带方格纸的木板，应使其竖线在竖直方向上 (3) 为准确测定小球在各位置的瞬时速度，可在小球下部安置一块挡光片，并确保挡光片在竖 直面内 2 方案二用自由落下的重物和打点计时器验证机械能守恒 1实验步骤 (1) 安装置：按图2 甲把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好 图 2 (2) 打纸带： 在纸带
3、的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直 提起纸带使重物停靠在打点计时器附近先接通电源后放手，让重物拉着纸带自由下落重 复几次，得到35 条打好点的纸带 (3) 选纸带：从打好点的纸带中挑选点迹清晰且开始的两点间距接近2 mm的一条纸带，在起 始点标上0，以后任取间隔相同时间的点依次标上1、2、3. (4) 测距离：用刻度尺测出0 到 1、2、3的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3. 2数据处理 (1) 计算各点对应的瞬时速度：根据公式vn hn1hn1 2T ，计算出 1、2、3n点的瞬时速度v1、 v2、v3vn. (2) 机械能守恒定律验证 方法一：利用起始
4、点和第n点 如果在实验误差允许范围内ghn 1 2v n 2，则机械能守恒定律得到验证 方法二：任取两点A、B. 如果在实验误差允许范围内ghAB 1 2v B 21 2v A 2 ，则机械能守恒定律得到验证 方法三：图像法( 如图 3 所示 ) 图 3 若在实验误差允许范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律 3 3误差分析 本实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点计 时器的摩擦阻力引起的系统误差 4注意事项 (1) 打点计时器安装要稳固，并使两限位孔的中线在同一竖直线上，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
5、可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体 积，可使空气阻力相对减小 (3) 实验时，应先接通电源，让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落 (4) 本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m. (5) 速度不能用vgt或v2gh计算，应根据纸带上测得的数据，利用vn hn1hn1 2T 计算 瞬时速度 . 一、实验原理及基本操作 例 1在验证机械能守恒定律的实验中有位同学按以下步骤进行实验操作： A用天平称出重锤和夹子的质量； B固定好打点计时器，将连着重锤的纸带穿过限位孔，用手提住， 且让手尽量靠近打点计时 器； C松开纸带，接通电源，开始打点并如此重复多次，以得到多条打点纸带； D取
6、下纸带，挑选点迹清晰且开始的两点间距接近2 mm 的纸带，记下起始点O，在距离O 点较近处选择几个连续的计数点( 或计时点 ) ，并计算出各点的速度值； E测出各计数点到O点的距离，即得到重锤的下落高度； F计算出mghn和1 2mv n 2，看两者是否相等 在以上步骤中，不必要的步骤是_ 有错误或不妥的步骤是_( 填写代表字母) 更正情况是： _ _ ； _； 4 _； _ _. 答案A BCDF B 中手应抓住纸带末端，让重锤尽量靠近打点计时器C 中应先接通电 源，再松开纸带D 中应选取离O点较远的点F 中应计算ghn和 1 2v n 2 的值 解析A步骤不必要， 不称量重锤的质量也可验证
7、机械能守恒定律；B步骤中应让重锤尽量靠 近打点计时器，而不是手靠近；C 步骤中应先接通电源，后释放纸带；D 步骤中应选取离O 点较远的点，这样测量时距离较远，测量的相对误差较小；F 步骤中应计算ghn和 1 2v n 2 的值， 若m没有测量，就不能计算出mghn、1 2mv n 2 具体的值 【考点】验证机械能守恒定律的实验步骤 【题点】验证机械能守恒定律的实验步骤 针对训练( 多选 ) 用自由落体法验证机械能守恒定律，就是看 1 2mv n 2 是否等于mgh n(n为计数点 的编号 0、1、2n) 下列说法中正确的是( ) A打点计时器打第一个点0 时，重物的速度应为零 Bhn是计数点n
8、到起始点0 的距离 C必须测量重物的质量 D用vngt n计算vn时，tn(n1)T(T为打点周期 ) 答案AB 解析本实验的原理是利用重物的自由落体运动来验证机械能守恒定律，因此打点计时器打 第一个点时，重物运动的速度应为零，A正确；hn与vn分别表示打第n个点时重物下落的高 度和对应的瞬时速度，B正确；本实验中，不需要测量重物的质量，因为公式mgh 1 2mv 2 的两 边都有m，故只要gh1 2v 2 成立，mgh 1 2mv 2 就成立，机械能守恒定律也就被验证了，C错误； 实验中应用公式vn hn1hn1 2T 来计算vn，D错误 【考点】验证机械能守恒定律的实验原理 【题点】验证机
9、械能守恒定律的实验原理 二、数据处理及误差分析 例 2某实验小组“用落体法验证机械能守恒定律”，实验装置如图4 甲所示 实验中测出 重物自由下落的高度h及对应的瞬时速度v，计算出重物减少的重力势能mgh和增加的动能 5 1 2mv 2， 然后进行比较， 如果两者相等或近似相等， 即可验证重物自由下落过程中机械能守恒请 根据实验原理和步骤完成下列问题： 图 4 (1) 关于上述实验，下列说法中正确的是_ A重物最好选择密度较小的木块 B重物的质量可以不测量 C实验中应先接通电源，后释放纸带 D可以利用公式v2gh来求解瞬时速度 (2) 如图乙是该实验小组得到的一条点迹清晰的纸带，纸带上的O点是起
10、始点， 选取纸带上连 续的点A、B、C、D、E、F作为计数点， 并测出各计数点到O点的距离依次为27.94 cm、32.78 cm、38.02 cm 、43.65 cm 、 49.66 cm 、56.07 cm. 已知打点计时器所用的电源是50 Hz 的交流 电，重物的质量为0.5 kg，则从计时器打下点O到打下点D的过程中，重物减小的重力势能 Ep _ J ；重物增加的动能Ek _ J ，两者不完全相等的原因可能是 _( 重力加速度g取 9.8 m/s 2，计算结果保留三位有效数字 ) (3) 实验小组的同学又正确计算出图乙中打下计数点A、B、C、D、E、F各点的瞬时速度v， 以各计数点到A
11、点的距离h为横轴，v 2 为纵轴作出图像，如图丙所示，根据作出的图线， 能粗略验证自由下落的物体机械能守恒的依据是_ 答案(1)BC (2)2.14 2.12 重物下落过程中受到阻力作用(3) 图像的斜率等于19.52 ， 约为重力加速度g的两倍，故能验证 解析(1) 重物最好选择密度较大的铁块，故 A错误本题是以自由落体运动为例来验证机械 能守恒定律，需要验证的方程是mgh1 2mv 2，因为我们是比较 mgh、1 2mv 2 的大小关系，故m可约 去，不需要用天平测量重物的质量，操作时应先接通电源，再释放纸带，故B、C 正确不能 利用公式v2gh来求解瞬时速度，否则体现不了实验验证，却变成
12、了理论推导，故D错误 6 (2) 重力势能减小量Epmgh0.5 9.8 0.436 5 J 2.14 J 利用匀变速直线运动的推 论： vD x t 0.496 6 0.380 2 0.04 m/s 2.91 m/s ， EkD 1 2mv D 21 2 0.5 2.91 2 J2.12 J ，动能增加量EkEkD02.12 J 由于存在阻力作 用，所以减小的重力势能大于增加的动能 (3) 根据表达式mgh 1 2mv 2，则有 v 22gh； 当图像的斜率为重力加速度的2 倍时， 即可验证机械能守恒，而图像的斜率k 10.36 5.48 0.25 19.52 ；因此能粗略验证自由下落的物体
13、机械能守恒 【考点】验证机械能守恒定律的数据处理和误差分析 【题点】验证机械能守恒定律的数据处理和误差分析 三、创新实验设计 例 3利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图5 所示 图 5 (1) 实验步骤： 将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，将导轨调至水平 用游标卡尺测出挡光条的宽度l9.30 mm. 由导轨标尺读出两光电门中心间的距离s_ cm. 将滑块移至光电门1 左侧某处，待砝码静止时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过 光电门 2. 从数字计时器( 图中未画出 ) 上分别读出挡光条通过光电门1 和光电门2 所用的时间t1和 t2. 用天平称出滑块和挡光条的总
14、质量M，再称出托盘和砝码的总质量m. (2) 用表示直接测量量的字母写出下列物理量的表达式 滑块通过光电门1 和光电门2 时，瞬时速度分别为v1_和v2_. 当滑块通过光电门1 和光电门 2 时，系统 ( 包括滑块、挡光条、托盘和砝码) 的总动能分别 7 为Ek1_和Ek2_. 在滑块从光电门1 运动到光电门2 的过程中，系统重力势能的减少量Ep _( 重 力加速度为g) (3) 如果 Ep _，则可认为验证了机械能守恒定律 答案(1) 60.00(59.96 60.04) (2) l t1 l t2 1 2( Mm) l t1 2 1 2 (Mm) l t2 2 mgs (3)Ek2Ek1
15、解析(1) 距离s80.30 cm 20.30 cm 60.00 cm. (2) 由于挡光条宽度很小，因此可以将挡光条通过光电门时的平均速度当成瞬时速度，挡光 条的宽度l可用游标卡尺测量，挡光时间t可从数字计时器上读出因此，滑块通过光电 门 1 和光电门2 时的瞬时速度分别为v1 l t1，v 2 l t2. 当滑块通过光电门1 和光电门 2 时，系统的总动能分别为 Ek1 1 2( Mm)v1 21 2( Mm) l t1 2； Ek2 1 2( Mm)v2 21 2( Mm) l t2 2. 在滑块从光电门1 运动到光电门2 的过程中，系统重力势能的减少量Epmgs. (3) 如果在误差允许的范围内EpEk2Ek1，则可认为验证了机械能守恒定律 【考点】验证机械
