2016人教版必修二實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案2

1、學(xué)案12實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)習(xí)目標(biāo)定位 1.驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.2.熟悉瞬時(shí)速度的測(cè)量方法.3.能正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，能定性地分析產(chǎn)生誤差的原因一、實(shí)驗(yàn)原理做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體，在下落過(guò)程中，重力勢(shì)能減少，動(dòng)能增加，如果重力勢(shì)能的減少量等于動(dòng)能的增加量，就驗(yàn)證了機(jī)械能守恒二、兩種驗(yàn)證方案1若以重物下落的起始點(diǎn)O為基準(zhǔn)，設(shè)重物的質(zhì)量為m，測(cè)出重物自起始點(diǎn)O下落距離h時(shí)的速度v，則在誤差允許范圍內(nèi)，由計(jì)算得出mv2mgh，機(jī)械能守恒定律即被驗(yàn)證2若以重物下落過(guò)程中的某一點(diǎn)A為基準(zhǔn)，設(shè)重物的質(zhì)量為m，測(cè)出重物對(duì)應(yīng)于A點(diǎn)的速度vA，再測(cè)出重物由A點(diǎn)下落h后經(jīng)過(guò)B點(diǎn)的速度vB，

2、則在誤差允許范圍內(nèi)，由計(jì)算得出mvmvmgh，機(jī)械能守恒定律即被驗(yàn)證三、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、毫米刻度尺、低壓交流電源(4 V6 V).一、實(shí)驗(yàn)步驟1安裝置：按圖1甲把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與電源連接好圖12打紙帶：在紙帶的一端把重物用夾子固定好，另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器附近先接通電源后放手，讓重物拉著紙帶自由下落重復(fù)幾次，得到35條打好點(diǎn)的紙帶3選紙帶：從打好點(diǎn)的紙帶中挑選點(diǎn)跡清晰且開(kāi)始的兩點(diǎn)間距接近2 mm的一條紙帶，在起始點(diǎn)標(biāo)上0，以后任取間隔相同時(shí)間的點(diǎn)依次標(biāo)上1、

3、2、3.4測(cè)距離：用刻度尺測(cè)出0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計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度：根據(jù)公式vn，計(jì)算出1、2、3、n點(diǎn)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3、vn.2機(jī)械能守恒驗(yàn)證：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)誤差允許范圍內(nèi)ghnv，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證方法二：任取兩點(diǎn)A、B.從A點(diǎn)到B點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為mghAmghB，動(dòng)能增加量為mvmv，計(jì)算ghAB和vv，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)ghABvv，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證方法三：圖象法(如圖2所示)圖2計(jì)算各計(jì)數(shù)

4、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v2h圖線若在誤差允許范圍內(nèi)圖象是一條過(guò)原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律三、誤差分析1本實(shí)驗(yàn)的誤差主要是由紙帶測(cè)量產(chǎn)生的偶然誤差以及重物和紙帶運(yùn)動(dòng)中的空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差2測(cè)量時(shí)采取多次測(cè)量求平均值的方法來(lái)減小偶然誤差，安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使兩限位孔中線豎直，并且選擇質(zhì)量適當(dāng)大些、體積盡量小些的重物來(lái)減小系統(tǒng)誤差四、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝要穩(wěn)固，并使兩限位孔的中線在同一豎直線上，以減小摩擦阻力2應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對(duì)減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻

5、力相對(duì)減小3實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后再松開(kāi)紙帶讓重物下落4本實(shí)驗(yàn)中的兩種驗(yàn)證方法均不需要測(cè)重物的質(zhì)量m.5速度不能用vgt或v計(jì)算，應(yīng)根據(jù)紙帶上測(cè)得的數(shù)據(jù)，利用vn計(jì)算瞬時(shí)速度例1某同學(xué)利用重物自由下落來(lái)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3甲所示圖3(1)請(qǐng)指出實(shí)驗(yàn)裝置中存在的明顯錯(cuò)誤：_.(2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，為保證重物下落時(shí)初速度為零，應(yīng)_(選填“A”或“B”)A先接通電源，再釋放紙帶B先釋放紙帶，再接通電源(3)根據(jù)打出的紙帶，選取紙帶上連續(xù)打出的1、2、3、4四個(gè)點(diǎn)如圖乙所示已測(cè)出1、2、3、4到打出的第一個(gè)點(diǎn)O的距離分別為h1、h2、h3、h4，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期

6、為T.若代入所測(cè)數(shù)據(jù)能滿足表達(dá)式gh3_，則可驗(yàn)證重物下落過(guò)程機(jī)械能守恒(用題目中已測(cè)出的物理量表示)解析(1)從題圖甲中的實(shí)驗(yàn)裝置中發(fā)現(xiàn)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在了“直流電源”上，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作電源是“低壓交流電源”因此，明顯的錯(cuò)誤是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器不能接在“直流電源”上(2)為了使紙帶上打下的第1個(gè)點(diǎn)是速度為零的初始點(diǎn)，應(yīng)該先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后，再釋放紙帶若先釋放紙帶，再接通電源，當(dāng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)時(shí)，紙帶已經(jīng)下落，打下的第1個(gè)點(diǎn)的速度不為零因此，為保證重物下落的初速度為零，應(yīng)先接通電源，再釋放紙帶(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，只要驗(yàn)證ghnv即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律因此需求解v3.根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)

7、律關(guān)系式可得，v3，則有v，故只要在誤差允許范圍內(nèi)驗(yàn)證gh3成立，就可驗(yàn)證重物下落過(guò)程中機(jī)械能守恒答案(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器不能接“直流電源”(或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)接“交流電源”)(2)A(3)例2用如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)所用的電源為學(xué)生電源，輸出電壓為6V的交流電和直流電兩種重錘從高處由靜止開(kāi)始下落，重錘拖著的紙帶上打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)痕進(jìn)行測(cè)量及相關(guān)計(jì)算，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律圖4(1)下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)操作步驟：A按照?qǐng)D示的裝置安裝器件；B將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出”上；C用天平測(cè)出重錘的質(zhì)量；D釋放懸掛紙帶的夾子，同時(shí)接通電源開(kāi)關(guān)打出一條紙帶；E測(cè)量紙帶上某些

8、點(diǎn)間的距離；F根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重錘下落過(guò)程中減少的重力勢(shì)能是否等于增加的動(dòng)能其中沒(méi)有必要進(jìn)行或者操作不當(dāng)?shù)牟襟E是_(2)在一次實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量為m的重錘自由下落，在紙帶上打出一系列的點(diǎn)，如圖乙所示(相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)間間隔為0.02 s)，長(zhǎng)度單位cm，那么從起點(diǎn)O到打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B的過(guò)程中重力勢(shì)能的減少量Ep_ J，此過(guò)程中重錘動(dòng)能的增加量Ek_ J(g取9.8 m/s2，結(jié)果數(shù)據(jù)均保留至小數(shù)點(diǎn)后兩位)；通過(guò)計(jì)算，數(shù)值上Ep_Ek(填“”“”或“”)，這是因?yàn)開(kāi)答案(1)BCD(2)0.49m0.48m紙帶和重錘運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到阻力的作用例3在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量為m1.00 kg的重錘拖著紙

9、帶下落，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5所示其中O為重錘開(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f50 Hz.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)圖5(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下點(diǎn)B時(shí)，重錘下落的速度vB_m/s，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下點(diǎn)D時(shí)，重錘下落的速度vD_ m/s.(2)從打下點(diǎn)B到打下點(diǎn)D的過(guò)程中，重錘重力勢(shì)能減小量Ep_ J，重錘動(dòng)能增加量為Ek_.解析(1)vB m/s0.978 m/svD m/s1.36

10、m/s(2)EpmghBD1×10×(95.949.0)×103 J0.469 JEkm(vv)×1×(1.3620.9782) J0.447 J.答案見(jiàn)解析1如圖6是用自由落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律時(shí)得到的一條紙帶有關(guān)尺寸已在圖中注明我們選取n點(diǎn)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律下面舉一些計(jì)算n點(diǎn)速度的方法，其中正確的是()圖6An點(diǎn)是第n個(gè)點(diǎn)，則vngnTBn點(diǎn)是第n個(gè)點(diǎn)，則vng(n1)TCvnDvn答案CD2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

11、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7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7(1)重力勢(shì)能的減少量是_J動(dòng)能的增加量是_J.(2)根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)得出的結(jié)論：_.答案(1)1.911m1.89m(2)在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(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EpmghOBm×9.8×0.195 J1.911m J.重物下落到B點(diǎn)時(shí)的速度為vB1.944 m/s所以重物從開(kāi)始下落到B點(diǎn)增加的動(dòng)能為Ekmv1.89m J.(2)從以上計(jì)算的數(shù)據(jù)

12、得出在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(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3如圖8為利用氣墊導(dǎo)軌(滑塊在該導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)時(shí)所受阻力可忽略)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置，完成以下填空?qǐng)D8實(shí)驗(yàn)步驟如下：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)至水平測(cè)出擋光條的寬度l和兩光電門中心之間的距離s.將滑塊移至光電門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2.讀出滑塊分別通過(guò)光電門1和光電門2的擋光時(shí)間t1和t2.用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量m.滑塊通過(guò)光電門1和光電門2時(shí)，可以確定系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動(dòng)能分別為E

13、k1_和Ek2_.在滑塊從光電門1運(yùn)動(dòng)到光電門2的過(guò)程中，系統(tǒng)勢(shì)能的減少量Ep_.(重力加速度為g)如果滿足關(guān)系式_，則可認(rèn)為驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律答案(Mm)()2(Mm)()2mgsEpEk2Ek1解析滑塊通過(guò)光電門的速度v1，v2所以Ek1(Mm)v(Mm)()2Ek2(Mm)v(Mm)()2系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量等于托盤和砝碼重力勢(shì)能的減少量Epmgs.若EpEk2Ek1，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.1在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于自由下落的重物，下列說(shuō)法正確的是()A只要足夠重就可以B只要體積足夠小就可以C既要足夠重，又要體積非常小D應(yīng)該密度大些，還應(yīng)便于夾緊紙帶，使紙帶隨同重物運(yùn)動(dòng)時(shí)不

14、致被扭曲答案D2用自由落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，就是看mv是否等于mghn(n為計(jì)數(shù)點(diǎn)的編號(hào)0、1、2n)下列說(shuō)法中正確的是()A打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打第一個(gè)點(diǎn)0時(shí)，重物的速度為零Bhn是計(jì)數(shù)點(diǎn)n到起始點(diǎn)0的距離C必須測(cè)量重物的質(zhì)量D用vngtn計(jì)算vn時(shí)，tn(n1)T(T為打點(diǎn)周期)答案AB解析本實(shí)驗(yàn)的原理是利用重物的自由落體運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律因此打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打第一個(gè)點(diǎn)時(shí)，重物運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)為零，A正確；hn與vn分別表示打第n個(gè)點(diǎn)時(shí)重物下落的高度和對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度，B正確；本實(shí)驗(yàn)中，不需要測(cè)量重物的質(zhì)量，因?yàn)楣絤ghmv2的兩邊都有m，故只要ghv2成立，mghmv2就成立，機(jī)械能守恒定律也就被

15、驗(yàn)證了，C錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用公式vn來(lái)計(jì)算vn，D錯(cuò)誤3在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中：(1)將下列主要的實(shí)驗(yàn)步驟，按照實(shí)驗(yàn)的合理順序把步驟前的序號(hào)填在題后橫線上：A用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處；B將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔；C取下紙帶，在紙帶上任選幾點(diǎn)，測(cè)出它們與第一個(gè)點(diǎn)的距離，并算出重物在打下這幾個(gè)點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度；D接通電源，松開(kāi)紙帶，讓重物自由下落；E查出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭的值，算出打下各計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能和相應(yīng)的減少的重力勢(shì)能，比較它們是否相等；F把測(cè)量和計(jì)算得到的數(shù)據(jù)填入自己設(shè)計(jì)的表格里答：_.(2)動(dòng)能值和相應(yīng)重力勢(shì)能的減少值相比，實(shí)際上哪個(gè)值應(yīng)偏小些

16、？答：_.答案(1)BADCFE(2)見(jiàn)解析解析(1)實(shí)驗(yàn)的合理順序應(yīng)該是：BADCFE.(2)由于重物和紙帶都受阻力作用，即都要克服阻力做功，所以有機(jī)械能損失，即重物的動(dòng)能值要小于相應(yīng)重力勢(shì)能的減少值4利用圖1所示裝置進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)量物體由靜止開(kāi)始自由下落到某點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度v和下落高度h，某班同學(xué)利用實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，設(shè)計(jì)了以下四種測(cè)量方案圖1A用刻度尺測(cè)出物體下落高度h，并測(cè)出下落時(shí)間t，通過(guò)vgt計(jì)算出瞬時(shí)速度v.B用刻度尺測(cè)出物體下落的高度h，并通過(guò)v 計(jì)算出瞬時(shí)速度C根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)速度，并

17、通過(guò)h計(jì)算出高度h.D用刻度尺測(cè)出物體下落的高度h，根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)速度v.(1)以上方案中只有一種最合理，最合理的是_(填入上述相應(yīng)的字母)(2)要使該實(shí)驗(yàn)誤差盡量小，下述注意點(diǎn)正確的是_(填入下述相應(yīng)的字母)a使重物的質(zhì)量越大越好，但懸掛時(shí)不能拉斷紙帶b選用電火花計(jì)時(shí)器比電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器更好，可減小阻力影響c測(cè)長(zhǎng)度時(shí)保持紙帶懸掛狀態(tài)，刻度尺的讀數(shù)更準(zhǔn)確d紙帶上留下的點(diǎn)越大越好e紙帶長(zhǎng)一點(diǎn)更好答案(1)D(2)ab解析(1)A、B、C中用勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式求v及h，這樣得到的v、h不是實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量數(shù)據(jù)，不能達(dá)到驗(yàn)證機(jī)械能守

18、恒定律的目的(2)紙帶太長(zhǎng)，會(huì)增大阻力5某同學(xué)用圖2甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源的頻率為50 Hz，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮間9.80 m/s2.實(shí)驗(yàn)中該同學(xué)得到的一條點(diǎn)跡清晰的完整紙帶如圖乙所示，紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)記為O，另選連續(xù)的三個(gè)點(diǎn)A、B、C進(jìn)行測(cè)量，圖中給出了這三個(gè)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離hA、hB和hC的值回答下列問(wèn)題(計(jì)算結(jié)果保留3位有效數(shù)字)：圖2(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)，重物速度的大小vB_ m/s；(2)通過(guò)分析該同學(xué)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律？簡(jiǎn)要說(shuō)明分析的依據(jù)答案(1)3.90(2)見(jiàn)解析解析(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)重物速度的大小vB m/s3.90 m/s(