新教材同步備課2024春高中物理第8章機(jī)械能守恒定律5.實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律課件新人教版必修第二冊(cè)

第八章機(jī)械能守恒定律5．實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)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。3．會(huì)使用氣墊導(dǎo)軌、光電門，理解并掌握利用滑塊沿導(dǎo)軌下滑驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的原理和方法。必備知識(shí)·自主預(yù)習(xí)儲(chǔ)備01關(guān)鍵能力·情境探究達(dá)成02類型一實(shí)驗(yàn)原理與操作類型二數(shù)據(jù)處理和誤差分析類型三創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類型一實(shí)驗(yàn)原理與操作【典例1】

“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)裝置可以采用圖示的甲或乙方案來(lái)進(jìn)行。(1)比較這兩種方案，________(選填“甲”或“乙”)方案好些。[解析]甲方案摩擦阻力小，誤差小，而且方便操作，所用實(shí)驗(yàn)器材少，所以甲方案好些。甲(2)在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，直接測(cè)量的物理量是________。A．重力加速度 B．重物下落的高度C．重物下落的瞬時(shí)速度 D．重物下落的平均速度[解析]驗(yàn)證機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)，即驗(yàn)證重力勢(shì)能減少量等于動(dòng)能的增加量，所以重力加速度是已知的，無(wú)需測(cè)量，A錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)要計(jì)算重力勢(shì)能的減少量，所以需要測(cè)量重物下落的高度，B正確；本實(shí)驗(yàn)下落的瞬時(shí)速度是根據(jù)紙帶處理得到，無(wú)法直接測(cè)量，而平均速度本實(shí)驗(yàn)用不到，C、D錯(cuò)誤?！?3)在進(jìn)行“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)________。A．先釋放紙帶，再接通電源B．用手托住重物由靜止釋放C．根據(jù)v＝gt計(jì)算重物在t時(shí)刻的速度D．使重物下落的起始位置靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器[解析]在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通電源，打點(diǎn)穩(wěn)定后再釋放紙帶，A錯(cuò)誤；釋放時(shí)，紙帶應(yīng)豎直，減少與限位孔的摩擦，所以釋放時(shí)，應(yīng)按題圖中所示用手豎直提起紙帶，B錯(cuò)誤；因?yàn)橐?yàn)證機(jī)械能守恒，所以速度需根據(jù)實(shí)際的紙帶計(jì)算，而不能用自由落體公式計(jì)算，因?yàn)樽杂陕潴w運(yùn)動(dòng)只受重力，機(jī)械能一定守恒，C錯(cuò)誤；釋放紙帶前，重物應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，這樣可以充分利用紙帶，D正確?！?/p>

√√(2)如圖乙是該實(shí)驗(yàn)小組打出的一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，紙帶上的O點(diǎn)是起始點(diǎn)，選取紙帶上連續(xù)的點(diǎn)A、B、C、D、E、F作為計(jì)數(shù)點(diǎn)，并測(cè)出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離依次為27.94cm、32.78cm、38.02cm、43.65cm、49.66cm、56.07cm。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的電源是50Hz的交流電，重物的質(zhì)量為0.5kg，則從計(jì)時(shí)器打下點(diǎn)O到打下點(diǎn)D的過(guò)程中，重物減小的重力勢(shì)能Δ

Ep＝_______J；重物增加的動(dòng)能Δ

Ek＝_______J，兩者不完全相等的原因可能是___________________________。(重力加速度

g取9.8m/s2，計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)2.122.14重物下落過(guò)程中受到阻力作用

(3)實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)又正確計(jì)算出圖乙中打下計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F各點(diǎn)的瞬時(shí)速度v，以各計(jì)數(shù)點(diǎn)到A點(diǎn)的距離h′為橫軸，v2為縱軸作出圖像，如圖丙所示，根據(jù)作出的圖線，能粗略驗(yàn)證自由下落的物體機(jī)械能守恒的依據(jù)是_______________________________________________________。圖像的斜率等于19.52，約為重力加速度g的兩倍，故能驗(yàn)證

(1)在彈性限度內(nèi)將鉤碼緩慢下拉至某一位置，測(cè)得此時(shí)彈簧的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源。從靜止釋放鉤碼，彈簧收縮，得到了一條點(diǎn)跡清晰的紙帶。鉤碼加速上升階段的部分紙帶如圖乙所示，紙帶上相鄰兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔均為T(在誤差允許范圍內(nèi)，認(rèn)為釋放鉤碼的同時(shí)打出A點(diǎn))。從打出A點(diǎn)到打出F點(diǎn)時(shí)間內(nèi)，彈簧的彈性勢(shì)能減少量為

____________________，鉤碼的動(dòng)能增加量為_(kāi)___________，鉤碼的重力勢(shì)能增加量為_(kāi)_______。

mgh5

(2)利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到彈簧彈性勢(shì)能減少量、鉤碼的機(jī)械能增加量分別與鉤碼上升高度h的關(guān)系，如圖丙所示。由圖丙可知，隨著h增加，兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大，主要原因是________。見(jiàn)解析[解析]鉤碼機(jī)械能的增加量，即鉤碼動(dòng)能和重力勢(shì)能增加量的總和，若無(wú)阻力做功則彈簧彈性勢(shì)能的減少量等于鉤碼機(jī)械能的增加量?，F(xiàn)在隨著h增加，兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大，而兩條曲線在縱向的間隔即阻力做的功，則產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題的主要原因是鉤碼和紙帶運(yùn)動(dòng)的速度逐漸增大，導(dǎo)致空氣阻力逐漸增大，以至于鉤碼克服空氣阻力做的功也逐漸增大。學(xué)習(xí)效果·隨堂評(píng)估自測(cè)031．用如圖甲所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，若按正確的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行，并選出如圖乙所示的紙帶，回答下列問(wèn)題：12345(1)紙帶的________(選填“左”或“右”)端與重物相連。12345[解析]物體做加速運(yùn)動(dòng)，紙帶上的相鄰點(diǎn)之間的距離越來(lái)越大，故紙帶左端與重物相連。左(2)下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)操作步驟(示意圖如圖所示)：A．按照?qǐng)D示的裝置安裝器件；B．將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的交流輸出端上；C．用天平測(cè)量出重物的質(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)量紙帶上打出的某些點(diǎn)之間的距離；F．根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重物下落過(guò)程中減少的重力勢(shì)能是否等于增加的動(dòng)能。1234512345指出其中沒(méi)有必要進(jìn)行的和操作不恰當(dāng)?shù)牟襟E，將其選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的字母填在下面的橫線上，并改正不恰當(dāng)?shù)牟襟E：沒(méi)有必要進(jìn)行的步驟是________，理由是_______________________________________________，操作不恰當(dāng)?shù)牟襟E是________，改正為_(kāi)__________________________________。[解析]在驗(yàn)證機(jī)械能守恒時(shí)，左右兩邊式子均有質(zhì)量m，可以約去，沒(méi)有必要用天平測(cè)重物的質(zhì)量；先接通電源，待打點(diǎn)穩(wěn)定后再釋放紙帶，D錯(cuò)誤。C在驗(yàn)證機(jī)械能守恒時(shí)，左右兩邊式子的質(zhì)量m可以約去D先接通電源，待打點(diǎn)穩(wěn)定后再釋放紙帶2．現(xiàn)利用如圖所示裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”。圖中AB是固定的光滑斜面，斜面的傾角為30°，1和2是固定在斜面上適當(dāng)位置的兩個(gè)光電門，與它們連接的光電計(jì)時(shí)器都沒(méi)有畫(huà)出。讓滑塊從斜面的頂端滑下，光電門1、2各自連接的光電計(jì)時(shí)器顯示的擋光時(shí)間分別為5.00×10-2s、2.00×10-2s。已知滑塊質(zhì)量為2.00kg，滑塊沿斜面方向的長(zhǎng)度為5.00cm，光電門1和2之間的距離為0.54m，g取9.80m/s2，取滑塊經(jīng)過(guò)光電門時(shí)的速度為其平均速度。(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)12345(1)滑塊通過(guò)光電門1時(shí)的速度v1＝________m/s，通過(guò)光電門2時(shí)的速度v2＝________m/s。12345

1.002.50(2)滑塊通過(guò)光電門1、2之間的動(dòng)能增加量為_(kāi)___________J，重力勢(shì)能的減少量為_(kāi)___________J。12345

5.255.29(3)實(shí)驗(yàn)可以得出的結(jié)論：___________________________________________。[解析]在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，滑塊的機(jī)械能守恒。在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，滑塊的機(jī)械能守恒3．某同學(xué)根據(jù)機(jī)械能守恒定律，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究彈簧的彈性勢(shì)能與壓縮量的關(guān)系。(1)如圖甲，將輕質(zhì)彈簧下端固定于鐵架臺(tái)上，在上端的托盤中依次增加砝碼，測(cè)量相應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表所示。由數(shù)據(jù)算得勁度系數(shù)k＝________N/m。(g取9.80m/s2)12345砝碼質(zhì)量/g50100150彈簧長(zhǎng)度/cm8.627.636.66

50(2)取下彈簧，將其一端固定于氣墊導(dǎo)軌左側(cè)，如圖乙所示；調(diào)整導(dǎo)軌使滑塊自由滑動(dòng)時(shí)，通過(guò)兩個(gè)光電門的速度大小________。12345[解析]要調(diào)整氣墊導(dǎo)軌水平，使滑塊自由滑動(dòng)時(shí)，通過(guò)兩個(gè)光電門的速度大小相等。相等(3)用滑塊壓縮彈簧，記錄彈簧的壓縮量x；釋放滑塊，記錄滑塊脫離彈簧后的速度v。釋放滑塊過(guò)程中，彈簧的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為_(kāi)___________。12345[解析]根據(jù)機(jī)械能守恒定律，釋放滑塊后，彈簧的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為滑塊的動(dòng)能?；瑝K的動(dòng)能(4)重復(fù)(3)中的操作，得到v與x的關(guān)系如圖丙，由圖可知，v與x成________關(guān)系。由上述實(shí)驗(yàn)可得結(jié)論：對(duì)同一根彈簧，彈性勢(shì)能與彈簧的________________成正比。12345

正比壓縮量的平方4．用如圖甲所示實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒。m2從高處由靜止開(kāi)始下落，m1上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測(cè)量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。圖乙給出的是實(shí)驗(yàn)中獲得的一條紙帶：0是打下的第一個(gè)點(diǎn)，每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)(圖中未標(biāo)出)，計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖所示。已知m1＝50g，m2＝150g，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所接交流電頻率f＝50Hz，則：(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)12345(1)從紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v＝________m/s。12345

2.4(2)從打下第“0”點(diǎn)到打下第“5”點(diǎn)的過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)能的增加量Δ

Ek＝________J，系統(tǒng)勢(shì)能的減少量Δ

Ep＝______J。(當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭取10m/s2)12345

0.580.60

12345

9.75．為了驗(yàn)證小球在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)過(guò)程的機(jī)械能是否守恒，利用如圖甲裝置，不可伸長(zhǎng)的輕繩一端系住一小球，另一端連接力傳感器，小球質(zhì)量為m，球心到懸掛點(diǎn)的距離為L(zhǎng)，小球釋放的位置到最低點(diǎn)的高度差為h，實(shí)驗(yàn)記錄輕繩拉力大小隨時(shí)間的變化如圖乙，其中Fm是實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的最大拉力值，重力加速度為g，請(qǐng)回答以下問(wèn)題：12345(1)小球第一次運(yùn)動(dòng)至最低點(diǎn)的過(guò)程，重力勢(shì)能的減少量ΔEp＝____________，動(dòng)能的增加量ΔEk＝____________。(均用題中所給字母表示)12345

mgh

(2)觀察圖乙中拉力峰值隨時(shí)間變化規(guī)律，試分析造成這一結(jié)果的主要原因：________________