【新教材精创】8.5 实验：验证机械能守恒定律 导学案（1）-人教版高中物理必修第二册.docx

1、第八章机械能守恒定律第5节 实验：验证机械能守恒定律1理解实验的设计思路，明确实验中需要测量的物理量。2知道实验中选取测量点的有关要求，会根据实验中打出的纸带测定物体下落的距离，掌握测量物体运动的瞬时速度的方法。3能正确进行实验操作，能够根据实验数据的分析中得出实验结论。4能定性地分析产生实验误差的原因，并会采取相应的措施减小实验误差。1、重点：验证机械能守恒定律的实验原理2、难点：验证机械能守恒定律的误差分析及如何减小实验误差的方法。一、自主学习1必须选择一个符合机械能守恒的运动模型来验证机械能守恒定律，本实验选择自由落体运动模型来验证机械能守恒定律，是因为物体在自由落体运动过程中只_做功，

2、满足_。2按照书本要求，本实验是验证自由落体轨迹上开始点和其后任意点的机械能守恒，为此必须选择物体初速度为_，判断开始点是否满足要求的依据是_，为了计算物体减少的重力势能，必须测量出物体_，对应的测量器材是_。为了计算出某点时刻物体的动能，必须测量出物体在该时刻的瞬时速度，其计算公式为_，这是利用了什么原理？_。为了计算物体的动能和重力势能，按理还需要知道物体的质量，但本实验中可以不测物体的质量，其原因是_。3实验操作过程中，是先接通电源开始打点还是先放开纸带？为什么？_。4为了减小实验误差，应尽量减小重物下落时纸带所受的阻力。因此物体应选_（填重、轻），纸带应_放置。尽管采取了上述措施，但由

3、于阻力还是存在的，所以实验中重力势能的减小量应_动能的增加量，这样才是符合实际的。二、合作学习例题：在验证机械能守恒定律的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，测得当地的重力加速度g=9.8m/s2，测得所用重物的质量为1.00kg，实验中得到一点迹清晰的纸带（如图），把第一点记作O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点，经测量知道A、B、C、D到0点的距离分别为62.99cm，70.18cm，77.76cm，85.73cm，根据以上的数据，可知重物由0运动到C点，重力势能的减小量等于_J，动能的增加量等于_J。（取三位有效数字）解析 重物从O点到C点下落高度h=0.7776m

4、，WP=mgh=1.009.80.7776J=7.62J计算相应过程的动能增加量应先计算出C点的瞬时速度vc，由图可知：vc=xBD/2t=（0.8537-0.7018）/（20.02）=3.898（m/s）故Ek=mvc2/2=1.003.8982/2J=7.56J拓展 有些认为动能增加量可以根据机械能守恒得到Ek=0.762J，这样做犯了逻辑错误，因为实验目的就是要验证机械能是否守恒，验证过程中当然不能利用机械能守恒的结论。且实验中不可避免存在阻力，动能增加量不等于重力势能的减小量。m1.在“验证机械能守恒定律”的一次实验中，质量m=1 kg的重物自由下落，在纸带上打出一系列的点（下图纸带

5、上的所有点均为计时点，相邻计时点时间间隔为0.02 s），那么：（1）实验中下列物理量中需要直接测量的量有_，通过计算可得到的量有_（填字母序号）；A重锤质量 B重力加速度 C重锤下落的高度 D与下落高度相应的重锤的瞬时速度（2）纸带的_ （填“P”或“C”，用字母表示）端与重物相连；（3）打点计时器打下计时点B时，物体的速度vB=_m/s（保留到小数点后两位）；（4）从起点P到打下计时点B的过程中物体的重力势能减少量Ep=_J，此过程中物体动能的增加量Ek=_J；（g取9.8 m/s2保留到小数点后两位）（5）通过计算表明数值上Ep_ Ek（填“大于”“小于”或“等于”），这是因为_，实验的

6、结论是：_2.“验证机械能守恒定律”的实验装置如图所示下列做法正确的是A. 选用较小密度材料制成的重锤B. 先释放纸带，再接通电源C. 将纸带沿竖直方向穿过限位孔D 选用直流电源给打点计时器供电3.在做“验证机械能守恒定律”实验时，下列实验操作中正确合理的一项是A. 先放开纸带让重物下落，再接通打点计时器的电源B. 必须用秒表测出重锤下落的时间C. 先取下固定在重物上的打好点的纸带，再切断打点计时器的电源D. 选取重物时，其质量适当大点，可以减小因阻力而产生的误差4.在用落体法验证机械能守恒定律时，某同学按照正确的操作选得纸带如图其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点.该同学用

7、毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离,并记录在图中(单位cm)（1）这三个数据中不符合有效数字读数要求的是_段，应记作_cm（2）该同学用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，已知当地的重力加速度g=10m/s2，他用AC段的平均速度作为跟B点对应的物体的瞬时速度，则该段重锤重力势能的减少量为_，而动能的增加量为_，(均保留3位有效数字，重锤质量用m表示).这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量_动能的增加量，原因是_5.在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中：（1）打点计时器所接交流电的频率为50 Hz，甲、乙两条实验纸带如图所示，应选_纸带好（2）若通过测量纸带上某两点间距离来计算

8、某时刻的瞬时速度，进而验证机械能守恒定律现已测得2、4两点间距离为s1，0、3两点间距离为s2，打点周期为T，为了验证0、3两点间机械能守恒，则s1、s2和T应满足的关系为_11.某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律实验所用的电源为学生电源，可以提供输出电压为6V的交流电和直流电，交流电的频率为重锤从高处由静止开始下落，重锤拖着的纸带上打出一系列的点，对纸带上的点测量并分析，即可验证机械能守恒定律他进行了下面几个操作步骤：A.按照图示的装置安装器件；B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上；C.用天平测出重锤的质量；D.先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带；E.测量纸带上某些点间的距

9、离；F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能其中没有必要进行的步骤是_，操作不当的步骤是_这位同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析，如图乙所示其中0点为起始点，A、B、C、D、E、F为六个计数点根据纸带上的测量数据，当打B点时重锤的速度为_保留3位有效数字他继续根据纸带算出各点的速度v，量出下落距离h，并以为纵轴、以h为横轴画出的图象，应是图丙中的_12.用如图甲实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律下图给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下

10、的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点（图甲中未标出），计数点间的距离如图乙所示已知m1=50g、m2=150g则（g取9.8m/s2，结果保留两位有效数字）（1）在纸带上打下记数点5时的速度v=_；（2）在打点05过程中系统动能增量EK=_，系统势能的减少量EP=_，由此得出的结论是_（3）若某同学作出-h图象如图丙，则当地的实际重力加速度g=_13.某实验小组在做“验证机械能守恒定律”实验中，提出了如图所示的甲、乙两种方案：甲方案为用自由落体运动进行实验，乙方案为用小车在斜面上下滑进行实验(1)组内同学对两种方案进行了深入的讨论分析，最终确定了一个大家认为误差相对较小的方案你认为该小组选择

11、的方案是_，理由是_(2)若该小组采用图甲装置打出了一条纸带如图所示，相邻两点之间的时间间隔为0.02 s，请根据纸带计算出B点的速度大小为_m/s(结果保留三位有效数字)(3)该小组内同学根据纸带算出了相应点的速度，做出v2h图线如图所示，请根据图线计算出当地的重力加速度g_m/s2(结果保留两位有效数字)14.如图所示“用DIS研究机械能守恒定律”实验装置下列步骤正确的是_A让摆锤自然下垂，调整标尺盘，使其竖直线与摆锤线平行B将摆锤置于释放器内，释放杆进行伸缩调整，使摆锤的系线松弛一点便于摆锤释放C调整光电门的位置，使光电门的接收孔与测量点位于同一水平面内D将释放器先后置于A、B、C点，将

12、光电门置于标尺盘的D点，分别测量释放器内的摆锤由A、B、C三点静止释放摆到D点的势能和动能15.用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律实验所用的电源为学生电源，输出电压为6 V的交流电和直流电两种重锤从高处由静止开始落下，重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律，已知重力加速度为g.（1）下面列举了该实验的几个操作步骤：A按照图示的装置安装器件；B将打点计时器接到电源的直流输出端上；C用天平测量出重锤的质量；D先释放悬挂纸带的夹子，然后接通电源开关打出一条纸带；E测量打出的纸带上某些点之间的距离；F根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势

13、能在误差范围内是否等于增加的动能其中没有必要或操作不恰当的步骤是_(填写选项对应的字母)（2）如图所示是实验中得到一条纸带，将起始点记为O，并在离O点较远的任意点依次选取6个连续的点，分别记为A、B、C、D、E、F，量出各点与O点的距离分别为h1、h2、h3、h4、h5、h6，使用交流电的周期为T，设重锤质量为m，则在打E点时重锤的动能为_，在打O点和E点这段时间内的重力势能的减少量为_（3）在本实验中发现，重锤减少的重力势能总是_（填“大于”或“小于”）重锤增加的动能，主要是因为在重锤下落过程中存在着阻力的作用，为了测定阻力大小，可算出（2）问中纸带各点对应的速度，分别记为v1至v6, 并作

14、vn2hn图象，如图所示，直线斜率为k，则可测出阻力大小为_参考答案：小试牛刀：1.【答案】 (1). C (2). D (3). P (4). 0.98 (5). 0.49 (6). 0.48 (7). 大于 (8). 重物受到的空气阻力及纸带与打点计时器的摩擦等原因使机械能减少 (9). 在误差允许的范围内重锤的重力势能减少等于动能的增加，机械能守恒【解析】【详解】（1）由于实验是验证机械能守恒定律，即mgh=mv2，化简得gh=v2，故需要直接测量重锤下落的高度h，故选C；通过计算可得到的量是与下落高度相应的重锤的瞬时速度v，故选D（2）由图可知，纸带与重物相连的一端应该是打点比较密集的

15、部分，故是P端（3）B点的速度vB=m/s=0.98m/s（4）物体的重力势能减少量EP=mgh=19.85.010.01J=0.49J；物体动能的增加量Ek=mvB2=1（0.98）2J=0.48J（5）可见EPEk，这是因为重物受到的空气阻力及纸带与打点计时器的摩擦等原因使机械能减少；在误差范围内重锤的重力势能减少等于动能的增加，机械能守恒2.【答案】C【解析】为了减小阻力的影响，应选取密度大、体积小的重物，故A错误；实验时应先接通电源，再释放纸带，故B错误；为了减小阻力的影响，两个限位孔应在同一竖直线上，故C正确；使用交流电源给打点计时器供电，故D错误；故选C3.【答案】D【解析】【详解

16、】如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计时时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差，故A错误；打点计时器就是计时仪器，不需要秒表测量重锤下落的时间，选项B错误；实验结束应立即切断电源以防仪器的损坏，然后再取下固定在重物上的打好点的纸带，故C错误；选取重物时，其质量适当大点，可以减小因阻力而产生的误差，故D正确故选D4.【答案】 (1). OC(或15.7) (2). 15.70 (3). 1.24m (4). 1.20m (5). 大于 (6). 纸带与打点计时器有摩擦，减小的重力势能一部分转化为内能【解析】【详解】（1）该同学用毫米刻度尺测量，读数时应估读

17、到mm以下，故这三个数据中不符合有效数字读数要求的是OC，应记作15.70cm（2）重锤重力势能的减小量Ep=mghOB=m100.1242J=1.24m；B点的瞬时速度vB=m/s=1.55m/s，则重锤动能的增加量Ek=mvB2=m1.552=1.20m，这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是纸带与打点计时器有摩擦，减小的重力势能一部分转化为内能答案为：（1）OC；15.70；（2）1.24m；1.20m；大于；纸带与打点计时器有摩擦，减小的重力势能一部分转化为内能5.【答案】 (1). 甲 (2). T2=【解析】(1)由自由落体运动的位移公式得，物体下落的位移

18、为h=gt2=0.0196m ,故选甲图利用匀变速直线运动的推论打点3时的速度v=，重物下落的高度h=s2，当机械能守恒时，应有m（）2=mgs2，由此得 T2.当堂检测：11.【答案】 (1). C (2). B (3). 1.84 (4). C【解析】【详解】（1）将打点计时器接到电源的“交流输出”上，故B错误，操作不当；因为我们是比较mgh、的大小关系，故m可约去比较，不需要用天平，故C没有必要（2）匀变速直线运动中中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度，由此可以求出B点的速度大小为：；（3）他继续根据纸带算出各点的速度v，量出下落距离h，并以为纵轴、以h为横轴画出的图象，根据，所以应

19、是图中的C12.【答案】 (1). 2.4m/s (2). 0.576J (3). 0.588J (4). 在误差允许的范围内，m1、m2组成的系统机械能守恒 (5). 9.7m/s2【解析】【详解】第一空.根据在匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度大小等于该过程中的平均速度，可知打第5个点时的速度为：第二空.物体的初速度为零，所以动能的增加量为：Ek(m1+m2)v5200.576J；第三空.重力势能的减小量等于物体重力做功，故：EP=W=（m2-m1）gh=0.588J；第四空.由此可知动能的增加量和势能的减小量基本相等，因此在在误差允许的范围内，m1、m2组成的系统机械能守恒第五空.题中根

20、据机械能守恒可知，（m2-m1）gh(m1+m2)v2，即有：v2gh，所以v2h图象中图象的斜率表示g，由图可知，斜率k=g =4.85，故当地的实际重力加速度g=9.7m/s213.【答案】 (1). 甲 (2). 方案乙的小车与斜面间存在摩擦力的作用，且不能忽略，所以小车在下滑的过程中机械能不守恒 (3). 1.37 (4). 9.75(0.10)【解析】【详解】（1）1甲图；2采用乙图实验时，由于小车与斜面间存在摩擦力的作用，且不能忽略，所以小车在下滑的过程中机械能不守恒，故乙图不能用于验证机械能守恒（2）3匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度等于该过程中的平均速度，因此有：1.37m/

21、s，（3）4 由机械能守恒，得，由此可知：图象的斜率k=2g，由此可以求出当地的重力加速度，由图可知，当h=20cm时 3.90，所以，所以 m/s214.【答案】AC【解析】【详解】让摆锤自然下垂，以摆线为基准，调整标尺盘的放置位置，使标尺盘上的竖直线与摆线平行，故A正确；将摆锤置于释放器内并对释放杆进行伸缩调整，应该使摆锤的细线刚好绷紧释放摆锤，故B错误；调整光电门的位置，使光电门的接收孔与测量点位于同一水平面内，以保证竖直的高度测量准确，故C正确；应该把光电门置于标尺盘的B、C、D点，释放器的摆锤始终在A点，故D错误15.【答案】 (1). BCD (2). (3). mgh5 (4).

22、 大于 (5). m(g)【解析】【详解】（）A打点计时器利用的是交流电的周期性变化来改变电路的工作状态，从而实现打点计时因此，打点计时器要接到电源的交流输出端上；故正确B本实验只需要验证即，并不需要测量质量，故不需要；C试验中需要先接通电源，后释放悬挂纸带的夹子，故错误；D本实验根据的是机械能守恒的变化式，即来验证机械能守恒，故正确；故选（）根据匀变速直线运动时间中点的瞬时速度等于这段时间内的平均速度则在点的动能为；在打点到点的过程中，物体下落的高度为，这段时间内重力势能的减少量为：（）根据动能定理可知，物体动能的变化量等于物体所受各外力所做功的代数和本实验中，物体下落过程中，除了重力外，还有摩擦力做功动能增量等于重力的功和摩擦力的功的代数和由于摩擦力做负功，故而重力势能的减少量大于动作能增加量；，则，解得：