33-实验六 验证机械能守恒定律.doc

教师姓名学生姓名 填写时间 学科 物理年级 上课时间 课时计划2h 教学目标教学内容个性化学习问题解决教学重点、难点教学过程实验六验证机械能守恒定律误差分析1减小测量误差：一是测下落距离时都从0点量起，一次将各打点对应下落高度测量完，二是多测几次取平均值。2误差来源：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量Ekmv必定稍小于重力势能的减少量Epmghn，改进办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。注意事项1打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力。2重物密度要大：重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。3一先一后：应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落。4测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn，不能用vn或vngt来计算。热点一实验原理及数据处理【例1】在进行“验证机械能守恒定律”的实验中：图1(1)两实验小组同学分别采用了如图1甲和乙所示的装置，采用两种不同的实验方案进行实验。在图甲中，下落物体应选择密度_(选填“大”或“小”)的重物；在图乙中，两个重物的质量关系是m1_m2(选填“”、“”、“”)；采用图乙的方案进行实验，还需要的实验器材有交流电源，刻度尺和_；比较两种实验方案，你认为图_(选填“甲”或“乙”)所示实验方案更合理，理由是_。(2)有一同学采用了图甲所示的方案，选出一条纸带如图2所示，其中O点为起始点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通以50 Hz交流电，在计数点A和B之间、B和C之间还各有一个点，重物的质量为0.5 kg，g取9.8 m/s2。根据以上数据，打B点时重物的重力势能比开始下落时减少了_ J，这时它的动能是_ J，根据上面这两个数据你能得到的结论是：_。(结果保留三位有效数字)图2解析(1)为了减小空气阻力的影响，选择体积小、密度大的重物；在题图乙中，m2在m1的拉力作用下向上运动，所以m1m2。两重物质量不等，分析系统损失的重力势能是否近似等于增加的动能时，两边质量不能约去，故需要天平测量两重物的质量。题图乙中所示实验还受到细线与滑轮的阻力的影响，机械能损失较大，故题图甲所示实验方案较为合理。(2)重力势能减少量为EpmghOB0.867 J；打B点时重物的速度为vB，打B点时重物的动能为EkBm()20.852 J，可见在误差允许的范围内，重物下落时机械能守恒。答案(1)大天平甲图乙中还受到细线与滑轮的阻力的影响(2)0.8670.852在误差允许的范围内，重物下落时机械能守恒数据处理的方法方法一：用mv2mgh验证时，利用起始点和第n点计算。方法二：用mvmvmgh验证时，任取两点计算。方法三：图象法。从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2h图线。若在误差允许的范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律。【变式训练】1(2014南京模拟)某实验小组在做“验证机械能守恒定律”实验中，提出了如图3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。图3(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，你认为该小组选择的方案是_，理由是_。(2)若该小组采用图甲的装置打出了一条纸带如图4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_m/s(结果保留三位有效数字)。图4(3)该小组内同学们根据纸带算出了相应点的速度，作出v2h图线如图5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)。图5解析(1)甲，理由是：采用乙图实验时，由于小车和斜面间存在摩擦力的作用，且不能忽略，所以小车在下滑过程中机械能不守恒，故乙图不能用来验证机械能守恒定律。(2)vB1.37 m/s；(3)因为mghmv2，所以v22gh，图线的斜率是2g，可得g9.7 m/s2或g9.8 m/s2。答案(1)甲采用乙图实验时，由于小车和斜面间存在摩擦力的作用，且不能忽略，所以小车在下滑过程中机械能不守恒，故乙图不能用来验证机械能守恒定律(2)1.37(3)9.7或9.8热点二拓展创新实验预测高考命题视角以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性等特点。视角1实验器材的改进由系统动能、重力势能的变化验证机械能守恒，所用实验器材：光电门、气垫导轨。通过小球自由落体运动的闪光照片验证机械能守恒。视角2实验原理的迁移【例2】某同学利用如图6所示的装置来验证由小车与钩码组成的系统机械能守恒图6(1)现提供如下器材：A小车B钩码C一端带滑轮的长木板D细绳E电火花打点计时器F纸带G毫米刻度尺H游标卡尺I低压交流电源J220 V交流电源实验中不需要的器材是_(填写器材前的字母)，还需要的器材是_。(2)为尽可能消除摩擦力对本实验的影响，使验证结果尽可能准确，则小车质量M和钩码质量m的关系应该满足_。(3)小明和小军同学在做该实验时，小明认为只要采用平衡摩擦力的方法将摩擦力平衡掉就可以了，无须满足(2)问中小车质量M和钩码质量m的关系，而小军却否认小明的看法，你认为小明的看法_(选填“正确”或“不正确”)，理由是_。(4)两位同学统一观点后完成实验，得到一条纸带，去掉前面比较密集的点，选择点迹清晰且便于测量的连续7个点(标号为06)，测出相关距离如图7所示，要验证在第2点与第5点时系统的机械能相等，则应满足关系式_(设小车质量M，钩码质量m，打点周期为T)。图7解析(1)实验不需要游标卡尺，距离由刻度尺测量，电火花计时器直接使用220 V交流电源，不需要低压交流电源，不需要的器材是H、I。还需要天平测量钩码和小车的质量。(2)为尽可能消除摩擦力对本实验的影响，使验证结果尽可能准确，则小车质量M和钩码质量m的关系应该满足Mm，这样能使摩擦力做的功相对少些，以减小机械能的损失。(3)小明的看法不正确，因为平衡摩擦力后，摩擦力还做负功，系统机械能不守恒。(4)利用匀变速直线运动的推论：v2，v5从第2点到第5点时系统的动能增加(Mm)()2(Mm)()2从第2点到第5点时系统的重力势能减小量：mg(d5d2)应满足关系式mg(d5d2)(Mm)()2(Mm)()2答案(1)H，I天平(2)Mm(3)不正确因为平衡摩擦力后，摩擦力还做负功，系统机械能不守恒(4)mg(d5d2)(Mm)()2(Mm)()2【变式训练】2某同学利用如图8所示的气垫导轨装置验证系统机械能守恒定律。在气垫导轨上安装了两光电门1、2，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过轻质定滑轮与钩码相连。图8(1)实验时要调整气垫导轨水平。不挂钩码和细线，接通气源，如果滑块_，则表示气垫导轨调整至水平状态。(2)不挂钩码和细线，接通气源，滑块从轨道右端向左运动的过程中，发现滑块通过光电门1的时间小于通过光电门2的时间。实施下列措施能够让导轨水平的是_。A调节P使轨道左端升高一些B调节Q使轨道右端降低一些C遮光条的宽度应适当大一些D滑块的质量增大一些E气源的供气量增大一些(3)实验时，测出光电门1、2间的距离L，遮光条的宽度d，滑块和遮光条的总质量M，钩码质量m。由数字计时器读出遮光条通过光电门1、2的时间t1、t2，则系统机械能守恒成立的表达式是_。解析滑块从轨道右端向左运动的过程中，发现滑块通过光电门1的时间小于通过光电门2的时间，说明滑块加速向左运动，导轨右端较高，能够让导轨水平的是：调节Q使轨道右端降低一些或调节P使轨道左端升高一些，选项A、B正确。根据机械能守恒定律，系统重力势能减少量mgL应该等于动能增加量(mM)()2(mM)()2，即mgL(mM)()2(mM)()2。答案(1)能在气垫导轨上静止或做匀速运动或滑块经两个光电门的时间相等(2)AB(3)mgL(mM)()2(mM)()21某实验小组在做验证机械能守恒定律的实验。(1)关于本实验的叙述，正确的有_。A打点计时器安装时要使两限位孔位于同一竖直线上并安装稳定，以减小纸带下落过程中受到的阻力B需用天平测出重锤的质量C打点计时器用四节干电池串联而成的电池组作为电源D用手托着重锤，先闭合打点计时器的电源开关，然后释放重锤E打出的纸带中，只要点迹清晰，就可以运用公式mghmv2来验证机械能是否守恒F验证机械能是否守恒必须先确定重力势能的参考平面(2)验证机械能是否守恒时，实验中需计算某一点的速度，甲同学用vgt来计算，乙同学用vn来计算。其中_同学的计算方法才符合实验要求。答案(1)AD(2)乙2有4条用打点计时器(所用交流电频率均为50 Hz)打出的纸带A、B、C、D，其中一条是做“验证机械能守恒定律”实验时打出的。为找出该纸带，某同学在每条纸带上选取了点迹清晰的、连续的4个点，用刻度尺测出相邻两个点间的距离依次为x1、x2、x3。请你根据下列x1、x2、x3的测量结果确定该纸带为_。(已知当地的重力加速度为9.791 m/s2)A61.0 mm,65.8 mm,70.7 mmB41.2 mm,45.1 mm,53.0 mmC49.6 mm,53.5 mm,57.3 mmD60.5 mm,61.0 mm,60.0 mm解析验证机械能守恒采用重锤的自由落体运动实现，所以相邻的0.02 s内的位移增加量为：xgT29.7910.022 m3.9 mm，可知C正确。答案C3.如图9为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题。图9(1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有_。(填入正确选项前的字母)A米尺B秒表C46 V的直流电源D46 V的交流电源(2)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”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操作不当的步骤是_。(3)实验中误差产生的原因有_。(写出两个原因)(4)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值。根据打出的纸带，选取纸带上连续的五个点A、B、C、D、E，测出各点之间的距离如图10所示。使用交流电的频率为f，则计算重锤下落的加速度的表达式a_。(用x1、x2