2022-2023學(xué)年高一物理同步講義（人教 ）8.5實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律（學(xué)生版）

第八章機(jī)械能守恒定律第5課實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律目標(biāo)導(dǎo)航目標(biāo)導(dǎo)航課程標(biāo)準(zhǔn)核心素養(yǎng)1.明確驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的基本思路并能進(jìn)行相關(guān)量的測(cè)量.2.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．1、科學(xué)思維：尋找機(jī)械能守恒的案例并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路。2、科學(xué)探究：根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開展實(shí)驗(yàn)、記錄實(shí)驗(yàn)并處理數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。3、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：實(shí)驗(yàn)過程中團(tuán)結(jié)、協(xié)作、建立實(shí)事求是的科學(xué)精神。知識(shí)精講知識(shí)精講知識(shí)點(diǎn)01實(shí)驗(yàn)思路機(jī)械能守恒的前提是“只有做功”，因此研究過程一定要滿足這一條件．本節(jié)實(shí)驗(yàn)我們以只有重力做功的過程進(jìn)行研究．知識(shí)點(diǎn)02物理量的測(cè)量及數(shù)據(jù)分析只有重力做功時(shí)，只發(fā)生重力勢(shì)能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化．(1)要驗(yàn)證的表達(dá)式：eq\f(1,2)mv22＋mgh2＝eq\f(1,2)mv12＋mgh1或eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12＝.(2)所需測(cè)量的物理量：物體所處兩位置之間的、物體的．知識(shí)點(diǎn)03參考案例案例1研究自由下落物體的機(jī)械能1．實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫紙(或墨粉紙盤)、導(dǎo)線、、．2．實(shí)驗(yàn)步驟(1)安裝裝置：按圖甲所示把打點(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．(2)打紙帶：在紙帶的一端把重物用夾子固定好，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物停靠在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近．先接通電源后釋放紙帶，讓重物拉著紙帶自由下落．重復(fù)幾次，得到3～5條打好點(diǎn)的紙帶．(3)選紙帶并測(cè)量：選擇一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，確定要研究的開始和結(jié)束的位置，測(cè)量并計(jì)算出兩位置之間的距離Δh及在兩位置時(shí)紙帶的速度，代入表達(dá)式進(jìn)行驗(yàn)證．3．?dāng)?shù)據(jù)處理(1)計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度：如圖乙所示，根據(jù)公式vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)，計(jì)算出某一點(diǎn)的瞬時(shí)速度vn.(2)驗(yàn)證方法方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)．選擇開始的兩點(diǎn)間距接近2mm的一條紙帶，打的第一個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn)，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)mghn＝eq\f(1,2)mvn2，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證．方法二：任取兩點(diǎn)A、B.如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)mghAB＝eq\f(1,2)mvB2－eq\f(1,2)mvA2，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證．方法三：圖像法(如圖所示)．若在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)圖線是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證．4．誤差分析本實(shí)驗(yàn)的誤差主要是測(cè)量紙帶產(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．5．注意事項(xiàng)(1)安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，要使兩限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力．(2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物．(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紙帶讓重物下落．(4)本實(shí)驗(yàn)中的幾種驗(yàn)證方法均不需要測(cè)重物的質(zhì)量m.(5)速度不能用v＝gt或v＝eq\r(2gh)計(jì)算，應(yīng)根據(jù)紙帶上測(cè)得的數(shù)據(jù)，利用vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)計(jì)算瞬時(shí)速度．案例2研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能1．實(shí)驗(yàn)器材如圖所示，氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字計(jì)時(shí)器、帶有遮光條的滑塊．2．實(shí)驗(yàn)步驟把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài)，滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時(shí)，忽略空氣阻力，重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增大．測(cè)量兩光電門之間高度差Δh和滑塊通過兩個(gè)光電門時(shí)的速度v1、v2，代入表達(dá)式驗(yàn)證．3．物理量的測(cè)量及數(shù)據(jù)處理(1)測(cè)量兩光電門之間的高度差Δh；(2)根據(jù)滑塊經(jīng)過兩光電門時(shí)遮光條的遮光時(shí)間Δt1和Δt2，計(jì)算滑塊經(jīng)過兩光電門時(shí)的瞬時(shí)速度．若遮光條的寬度為ΔL，則滑塊經(jīng)過兩光電門時(shí)的速度分別為v1＝eq\f(ΔL,Δt1)，v2＝eq\f(ΔL,Δt2)；(3)若在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)滿足mgΔh＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．4．誤差分析兩光電門之間的距離稍大一些，可以減小誤差；遮光條的寬度越小，誤差越小．能力拓展能力拓展考法01實(shí)驗(yàn)原理與操作【典例1】利用如圖所示的裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)。（1）本實(shí)驗(yàn)操作正確的是()A．選擇大小合適的鐵質(zhì)重錘

B．選擇體積較大的木質(zhì)重錘C．打點(diǎn)時(shí)，應(yīng)讓重錘靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先釋放紙帶，再打開電源D．選紙帶時(shí)，應(yīng)選點(diǎn)跡清晰且第一二兩點(diǎn)間距離接近2mm的紙帶（2）除打點(diǎn)計(jì)時(shí)器（含紙帶、復(fù)寫紙）、重錘、交流電源、鐵架臺(tái)、導(dǎo)線及開關(guān)外，在下面的器材中，必須使用的還有___________。（選填器材前的字母）A．刻度尺

B．天平

C．秒表考法02實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與誤差分析【典例2】如圖甲所示為小明“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)裝置圖。（1）實(shí)驗(yàn)中，為減少空氣阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，下列操作可行的是___________A．選用質(zhì)量大、體積小的重物

B．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器兩限位孔在同一豎直線上C．釋放前手應(yīng)提紙帶上端并使紙帶豎直

D．重物下落過程中手始終提住紙帶的上端（2）小明選擇一條較為滿意的紙帶，如圖乙所示。小明以O(shè)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，從A點(diǎn)開始選取紙帶上連續(xù)點(diǎn)A、B、C…，測(cè)出O到A、B、C…的距離分別為h1、h2、h3…重物的質(zhì)量為m。小明選擇A、C兩點(diǎn)，計(jì)算出打下B點(diǎn)時(shí)速度vB后，通過比較重力勢(shì)能減少量Ep=mgh2和動(dòng)能增加量是否相等來驗(yàn)證機(jī)械能守恒。你認(rèn)為小明的數(shù)據(jù)處理是___________（選填“正確”或“錯(cuò)誤”）的，理由是___________。考法03實(shí)驗(yàn)拓展創(chuàng)新【典例3】某實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)利用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置完成了機(jī)械能守恒定律的驗(yàn)證，小球的釋放點(diǎn)、光電門1、光電門2在同一條豎直線上，實(shí)驗(yàn)時(shí)首先用游標(biāo)卡尺測(cè)量小球的直徑，結(jié)果如圖乙所示，保持光電門1到小球釋放點(diǎn)的距離不變，改變光電門2到光電門1的距離h，并記錄小球通過光電門2的擋光時(shí)間t，記錄多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?；卮鹣铝袉栴}：（1）由圖乙可知小球的直徑為d=___________；（2）小球經(jīng)過光電門2時(shí)的速度可以用表示，用該方法計(jì)算的速度___________（填“大于”“等于”或“小于”）小球球心經(jīng)過光電門的實(shí)際速度；（3）根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)描繪出如圖丙所示的圖像，結(jié)合圖丙，若有表達(dá)式g=___________成立，則小球下落過程中機(jī)械能守恒；小球經(jīng)過光電門1時(shí)的速度大小為___________。（均用a、b、d表示）分層提分分層提分題組A基礎(chǔ)過關(guān)練1．在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，回答下列問題∶（1）用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出一條紙帶，前后要連續(xù)進(jìn)行一系列的操作，下列各步驟的合理順序是_____。A．釋放紙帶

B．接通電源

C．取下紙帶

D．切斷電源（2）如圖所示，某同學(xué)用正確的方法獲得了一條紙帶，并以起點(diǎn)為計(jì)數(shù)點(diǎn)O，后隔一段距離，取連續(xù)點(diǎn)為計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F，如圖所示。已知重物的質(zhì)量為0.5kg，則電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下E點(diǎn)時(shí)，重物減少的重力勢(shì)能ΔEp=____J，重物增加的動(dòng)能ΔEk=_____J。（g取9.8m/s2，計(jì)算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）2.某同學(xué)用如圖甲所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮椋螯c(diǎn)計(jì)時(shí)器所接交流電的頻率為。（1）該同學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作如下：A．按照?qǐng)D甲的裝置安裝器件；B．將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“交流輸出”上；C．用天平測(cè)出重錘的質(zhì)量；D．先釋放懸掛紙帶的夾子，讓重錘帶著紙帶自由下落，后接通電源；E．用刻度尺測(cè)量紙帶上某些點(diǎn)間的距離；F．根據(jù)測(cè)量的結(jié)果，計(jì)算重錘下落過程中減少的重力勢(shì)能是否等于增加的動(dòng)能。其中沒有必要進(jìn)行的或者操作不當(dāng)?shù)牟襟E是________。（2）進(jìn)行正確操作后，得到一條紙帶如圖乙所示，其中0是起始點(diǎn)，1、2、3、…，為連續(xù)的個(gè)點(diǎn)，測(cè)得0點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)、點(diǎn)的距離并標(biāo)在紙帶上。若重錘的質(zhì)量為，則從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下0點(diǎn)到打下點(diǎn)，重錘重力勢(shì)能的減少量________，其動(dòng)能的增加量________。（均用相關(guān)物理量的符號(hào)表示）3．某同學(xué)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，他已安裝好部分實(shí)驗(yàn)器材，如圖1所示。（1）實(shí)驗(yàn)中還必須選取的如圖2器材中的_____（多選）。（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)接_____（選填“直流”或“交流”）電源。重物自由下落，在紙帶上打出一系列的點(diǎn)，如圖3所示，若紙帶相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間時(shí)間間隔為0.02s，則B點(diǎn)的速度為_____m/s（結(jié)果保留三位有效數(shù)字）。從起點(diǎn)O到B的過程中，重物的重力勢(shì)能減少量為0.343J，重物動(dòng)能的增加量為0.325J，由計(jì)算數(shù)據(jù)得到重物下落過程中減少的重力勢(shì)能略大于增加的動(dòng)能，造成的原因可能是_____。4.某同學(xué)用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：①用天平測(cè)出小車的質(zhì)量M、砂桶（含砂）的質(zhì)量m；②按圖1連接好實(shí)驗(yàn)裝置，并使彈簧測(cè)力計(jì)豎直，小車緊靠打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；③接通電源，釋放小車，打出紙帶；④取下砂桶和紙帶；⑤重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)多次。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)操作過程，回答下列問題：（1）下列關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的說法正確的是______。A．本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是小車B．實(shí)驗(yàn)中不需要記錄彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)FC．實(shí)驗(yàn)中必須保證m遠(yuǎn)小于MD．將木板左端墊高，補(bǔ)償系統(tǒng)受到的摩擦阻力后，系統(tǒng)的機(jī)械能就守恒了（2）當(dāng)M＝0.5kg、m＝0.2kg時(shí)得到了圖2所示的一條紙帶，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），所用電源的頻率為50Hz，重力加速度g取。系統(tǒng)在打點(diǎn)0~5的過程中，打點(diǎn)5時(shí)小車的速度大小v＝______m/s，系統(tǒng)動(dòng)能的增加量______J，系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量______J。（均保留三位有效數(shù)字）（3）由以上數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)動(dòng)能的增加量______（填“大于”、“等于”或“小于”）系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量，造成這種結(jié)果的主要原因是________；（4）提出一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法，以便減小系統(tǒng)誤差。_________。題組B能力提升練5.小李同學(xué)利用圖甲所示的裝置進(jìn)行“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)，打出如圖乙所示的紙帶，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器頻率為50Hz。①關(guān)于該實(shí)驗(yàn)，下列說法正確的是________。A．電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用6V以下交流電源B．紙帶必須盡量保持豎直方向以減小摩擦阻力作用C．為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒，必須選擇紙帶上打出的第一個(gè)點(diǎn)作為起點(diǎn)D．可以選擇較輕的物體作為重物以延長下落的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)效果更好②該同學(xué)用兩個(gè)質(zhì)量分別為m1、m2的重物P和Q分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，多次記錄下落高度h和相應(yīng)的速度大小v，作出的v2-h圖像如圖丙所示。下列分析正確的是____。（多選）A．阻力可能為零

B．阻力不可能為零

C．m1一定大于m2D．m1可能等于m26.某同學(xué)設(shè)計(jì)如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置來“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”，讓小鐵球從A點(diǎn)自由下落，下落過程中經(jīng)過A點(diǎn)正下方的光電門B時(shí)，光電計(jì)時(shí)器記錄下小鐵球通過光電門的時(shí)間t，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間。為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，該實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了如下器材∶鐵架臺(tái)、夾子、小鐵球（直徑為d）、光電門、光電計(jì)時(shí)器、毫米刻度尺。（1）調(diào)整A、B之間距離h，記錄下小鐵球通過光電門B的時(shí)間t，多次重復(fù)上述過程，作出隨h的變化圖像如圖乙所示。若小球下落過程中機(jī)械能守恒，則該直線斜率k0=______。（2）在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)際繪出圖像的直線斜率為k（k<k0），則實(shí)驗(yàn)過程中小球所受的平均阻力F阻與小球重力mg的比值=______（用k、k0表示）。7．某實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)了一個(gè)用拉力傳感器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)，如圖所示，已知拉力傳感器只能顯示拉力的豎直分量大小。重力加速度為g。（1）現(xiàn)有以下材質(zhì)的小球：①乒乓球；②橡膠球；③小鋼球。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選用__________（填序號(hào)）；（2）拉起質(zhì)量為m的小球至某一位置由靜止釋放，使小球在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)，記錄小球擺動(dòng)過程中拉力傳感器示數(shù)的最大值Tmax和最小值Tmin。改變小球的初始釋放位置，重復(fù)上述過程。為了得到一條直線，應(yīng)該根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)系中繪制__________（選填“”、“”、“”）關(guān)系圖像；若小球擺動(dòng)過程中機(jī)械能守恒，該直線斜率的理論值為__________；（3）該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的主要來源是__________（單選，填正確答案標(biāo)號(hào)）。A．小球擺動(dòng)角度偏大B．小球初始釋放位置不同C．小球擺動(dòng)過程中有空氣阻力8.某同學(xué)用光電門驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。如圖所示，將某種鐵質(zhì)橫桿固定在鐵架臺(tái)上方，在橫桿一側(cè)放置一磁鐵，在橫桿正下方將光電門固定在鐵架臺(tái)上，將質(zhì)量為m的小鐵球吸至橫桿下方，多次釋放并調(diào)整小鐵球釋放位置和光電門位置，使小鐵球球心恰好與光電門中心在同一豎直線上，標(biāo)記小鐵球釋放點(diǎn)，用直尺測(cè)量出橫桿下邊緣到光電門中心間的距離L，取重力加速度。拿開磁鐵后，鐵質(zhì)橫桿的磁性立即消失。（1）用游標(biāo)卡尺測(cè)出小鐵球直徑為D。（2）取作為小鐵球經(jīng)過光電門中心時(shí)的速度，則小鐵球從開始下落至小鐵球中心通過光電門的過程中，重力勢(shì)能減少量___________，動(dòng)能的增加量___________（均用已知或測(cè)量出的物理量的符號(hào)表示）題組C培優(yōu)拔尖練9．某同學(xué)設(shè)計(jì)如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置來“