4.6 實驗：驗證機械能守恒定律-2025版高中物理必修二同課異構(gòu)課件

6實驗：驗證機械能守恒定律實驗必備自主學習實驗研析創(chuàng)新學習課堂檢測素養(yǎng)達標一、實驗目的驗證只有重力做功時，系統(tǒng)的機械能守恒。二、實驗器材鐵架臺(帶鐵夾)、電火花打點計時器、重物(帶夾紙帶的夾子)、紙帶、導線、毫米刻度尺、低壓交流電源。三、實驗原理與設計1．實驗的基本思想——驗證性實驗讓重物自由下落，忽略阻力情況下重物的機械能守恒，有兩種方案驗證重物的機械能守恒：2．實驗設計——兩個物理量的測量方法(1)高度h的測量用刻度尺測量重物下落過程的高度h。(2)速度v的測量利用勻變速直線運動中某段時間的平均速度等于這段時間中間時刻的瞬時速度來求某點的瞬時速度。四、實驗步驟1．安裝置：按圖將檢查、調(diào)整好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上，接好電路。2．打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地方。先接通電源，后松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落。更換紙帶重復做3～5次實驗。3．選紙帶：選取點跡較為清晰且有兩點間的距離約為2mm的紙帶，把紙帶上打出的兩點間的距離為2mm的第一個點作為起始點，記作O，在距離O點較遠處再依次選出計數(shù)點1、2、3…4．測距離：用刻度尺測出O點到1、2、3…的距離，即對應下落的高度h1、h2、h3…六、誤差分析1．在進行長度測量時，測量及讀數(shù)不準造成偶然誤差。2．系統(tǒng)誤差的主要來源是重物下落要克服阻力做功，部分機械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，下落高度越大，機械能損失越多，所以實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)了各計數(shù)點對應的機械能依次略有減小的現(xiàn)象。3．由于交流電的周期不穩(wěn)定，造成打點時間間隔變化而產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。(1)對于該實驗，下列操作正確的是______。A．實驗時應選用密度小、體積大、下端有橡膠墊的重錘B．用手托穩(wěn)重物，先接通電源后再釋放重物C．本實驗需要測出重物的質(zhì)量D．選用電火花打點計時器而不用電磁打點計時器更有利于減少實驗誤差(2)某小組利用上述裝置獲得一條紙帶，在紙帶上選取多個計數(shù)點，測量它們到起始點O的距離為h，計算打下對應計數(shù)點時重物的速度為v，描繪的v2-h圖像如乙中圖線a所示，斜率接近________(用相關(guān)物理量符號表示)即可認為在誤差允許范圍內(nèi)機械能守恒。若另一組同學得到的圖線為b，斜率明顯偏小的原因可能是________________________________________________________________________(寫出一條即可)。[解析]

(1)實驗時應選用密度大、體積小，并且下端有橡膠墊的重錘，可以減小空氣阻力的影響，故A錯誤；手拉著紙帶上端處于豎直面，先接通電源后再釋放紙帶，不是用手托穩(wěn)重物，故B錯誤；驗證機械能守恒定律實驗中，等式兩邊均有質(zhì)量，因此實驗不需要測出重物的質(zhì)量，故C錯誤；從兩打點計時器的工作原理來分析，電火花計時器受到阻力相對較小，因此用電火花打點計時器而不用電磁打點計時器更有利于減少實驗誤差，故D正確。[答案]

(1)D

(2)2g

下落過程中重物受到空氣阻力、紙帶與電火花打點計時器存在阻力等(1)除打點計時器、紙帶、鐵架臺(含鐵夾)、帶夾子的重物、導線及開關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的器材是________。A．直流電源

B．交流電源C．刻度尺

D.秒表(2)實驗室供選擇的重物有以下三個，為減小實驗誤差應選擇________。A．質(zhì)量為100g的木球B．質(zhì)量為100g的鉤碼C．質(zhì)量為10g的塑料球(3)為驗證機械能是否守恒，需要比較重物下落過程中任意兩點間的________。A．動能變化量與重力勢能變化量B．速度變化量與重力勢能變化量C．速度變化量與下落高度變化量(4)實驗中，先接通電源，再釋放重物，得到如圖乙所示的一條紙帶。在紙帶上選取三個連續(xù)打出的點1、2、3，測得它們到起始點0的距離分別為h1、h2、h3，已知當?shù)刂亓铀俣葹間，設重物的質(zhì)量為m。從打0點到打2點的過程中，重物的重力勢能減少量為________，動能增加量為________。(5)實驗中由于受到空氣阻力和摩擦阻力的影響，實驗結(jié)果往往導致動能的增加量________重力勢能減小量。A．略小于

B．略大于C．等于[解析]

(1)打點計時器使用交流電源，故A錯誤，B正確；實驗中需要測量點跡間的距離，從而得出瞬時速度和下降的高度，所以需要刻度尺，故C正確；打點計時器能算出時間，不需要秒表，故D錯誤。(2)由于實驗中受到空氣阻力和紙帶的摩擦阻力，所以我們應找體積較小、質(zhì)量較大的物體作為研究對象，故B正確，A、C錯誤。(3)為驗證機械能是否守恒，需要比較重物下落過程中任意兩點間動能的增加量和重力勢能的減小量是否相等，故A正確，B、C錯誤。(5)由于紙帶在下落過程中，重物和空氣之間存在阻力，紙帶和打點計時器之間存在摩擦力，所以減小的重力勢能一部分轉(zhuǎn)化為動能，還有一部分要克服空氣阻力和摩擦阻力做功，故重力勢能的減少量略大于動能的增加量，故A正確，B、C錯誤。(1)主要實驗步驟如下：A．將氣墊導軌放在水平桌面上，并調(diào)至水平；B．用游標卡尺測出擋光條的寬度l；C．由導軌標尺讀出兩個光電門中心之間的距離x＝________cm；D．將滑塊移至光電門1左側(cè)某處，待砝碼靜止不動時，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條能通過光電門2；E．從數(shù)字計時器(圖中未畫出)上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時間Δt1和Δt2；F．用天平稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量m；G．……(2)請回答下列問題：(重力加速度取g)①為驗證機械能守恒定律，還需要測的物理量是________________________；②滑塊通過光電門1和光電門2的瞬時速度分別為v1＝________和v2＝________(用測量的字母表示)；③在實驗誤差范圍內(nèi)，如果關(guān)系式________________________(用測量的字母表示)成立，則可認為驗證了機械能守恒定律。(1)利用光電門測量速度更加準確、方便；(2)利用氣墊導軌和滑塊，能有效地減小實驗誤差。1．在“利用自由落體運動驗證機械能守恒定律”的實驗中，下列操作對減小實驗誤差有利的是(

)A．精確測量出重物的質(zhì)量B．選擇體積大、質(zhì)量小的重物C．兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)上下對正D．用手托穩(wěn)重物，接通電源后，撒手釋放重物答案：C2.如圖所示，兩個質(zhì)量分別為m1和m2的小物塊A和B，分別系在一條跨過定滑輪的軟繩兩端，已知m1>m2?，F(xiàn)要利用此裝置驗證機械能守恒定律。(1)若選定物塊A從靜止開始下落的過程進行測量，則需要測量的物理量有________。(在橫線上填入選項前的編號)①物塊的質(zhì)量m1、m2；②物塊A下落的距離及下落這段距離所用的時間；③物塊B上升的距離及上升這段距離所用的時間；④繩子的長度。(2)為提高實驗結(jié)果的準確程度，某小組同學對此實驗提出以下建議：①繩的質(zhì)量要輕；②在“輕質(zhì)繩”的前提下，繩子越長越好；③盡量保證物塊只沿豎直方向運動，不要搖晃；④兩個物塊的質(zhì)量之差要盡可能小。以上建議中確實對提高準確程度有作用的是________________。(在橫線上填入選項前的編號)(3)寫出一條上面沒有提到的對提高實驗結(jié)果準確程度有益的建議：______________________________________________________________________________________________________________________。(2)由上述分析可見，沒有考慮軟繩機械能的變化，故采用輕繩以忽略繩的機械能，計算A、B速度時考慮的是二者沿繩方向的速度，故應保持兩物塊只沿豎直方向運動，不要搖晃，繩的長短與m1和m2的質(zhì)量關(guān)系對實驗無影響，故選①③。(3)可從實驗條件和測量的量出發(fā)考慮問題：如：“對同一高度進行多次測量取平均值”，以減小偶然誤差；“選取受力后伸長量相對小的繩子”，使A、B運動的距離相同。答案：(1)①②或①③

(2)①③

(3)對同一高度多次測量求平均值或選受力后伸長量相對小的繩子等3．某同學利用豎直上拋小球的頻閃照片驗證機械能守恒定律，頻閃儀每隔0.05s閃光一次，如圖所標數(shù)據(jù)為實際距離，該同學通過計算得到不同時刻的速度如表，當?shù)刂亓铀俣热?.8m/s2，小球質(zhì)量m＝0.40kg，計算結(jié)果均保留兩位小數(shù)。時刻t2t3t4t5速度(m·s－1)4.794.283.28(1)由頻閃照片上的數(shù)據(jù)計算t4時刻小球的速度v4＝________

m/s；(2)從t2到t4時間內(nèi)，重力勢能增量ΔEp＝________J，動能減少量ΔEk＝________J；(3)實驗結(jié)論是_________________________________________，引起本實驗誤差的主要原因是_____________________________________________________________________________________________。(3)由于小球受到空氣阻力作用，導致動能減小量沒有全部轉(zhuǎn)化為重力勢能，因此ΔEp＜ΔEk。那么實驗結(jié)論是：在誤差允許的范圍內(nèi)，ΔEp與ΔEk近似相等，即可驗證機械能守恒定律。答案：(1)3.78

(2)1.68

1.72

(3)在誤差允許的范圍內(nèi)，ΔEp與ΔEk近似相等，即可驗證機械能守恒定律小球受到空氣阻力作用4．如圖所示，用光電門等器材驗證機械能守恒定律。直徑為d、質(zhì)量為m的金屬小球從A點由靜止釋放，下落過程中經(jīng)過A點正下方的位置B，B處固定有光電門，測得A、B間的距離為H(H?d)，光電門測出小球通過光電門的時間為t，當?shù)氐闹亓铀俣葹間，則：5．某同學在驗證機械能守恒定律的實驗中，設計了如圖甲所示的拓展實驗裝置，其中a、b、c是三個質(zhì)量均為500g的重物，它們掛在跨過定滑輪的一條輕繩上三個適當位置，c的下方拖著一條穿過打點計時器的紙帶。實驗時，先把c移到靠近打點計時器的地方，并測出此時a離地面的高度為25.00cm，接著接通電源，釋放c，得到如圖乙所示的紙帶，電源頻率為50Hz，其中相鄰兩計數(shù)點間還有4個點未畫出，重力加速度為9.8m/s2。(1)由圖乙可知，a落地后，c做________運動；(2)從開始下落到a將要落地的過程中，a、b、c系統(tǒng)減少的重力勢能為________J，增加的動能為_____