2019_2020学年高中物理第4章机械能和能源第5节验证机械能守恒定律学案（含解析）粤教版.docx

第五节验证机械能守恒定律一、实验目的1会用打点计时器打下的纸带计算物体的运动速度和位移2探究自由落体运动物体的机械能守恒二、实验原理让物体自由下落，在忽略阻力情况下，探究物体的机械能守恒，有两种方案探究物体的机械能守恒：1以物体下落的起始点O为基准，测出物体下落高度h时的速度大小v，若mv2mgh成立，则可验证物体的机械能守恒2测出物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2，若关系式mvmvmgh成立，则物体的机械能守恒三、实验器材铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、低压交流电源(46 V)、重物、毫米刻度尺、纸带(带夹子)、复写纸片、导线.实验原理及实验步骤1.安装置：按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路2打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落更换纸带重复做35次实验3选纸带：选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为2 mm的纸带，把纸带上打出的两点间的距离为2 mm的第一个点作为起始点，记作O，在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、34测距离：用刻度尺测出O点到1、2、3的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3【例1】在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，电源的频率为50 Hz，依次打出的点为0、1、2、3、4n，则：(1)如用第2点到第6点之间的纸带来验证，必须直接测量的物理量为_、_、_，必须计算出的物理量为_、_，验证的表达式为_(2)下列实验步骤操作合理的排列顺序是_(填写步骤前面的字母)A将打点计时器竖直安装在铁架台上B先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落C取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验D将重物固定在纸带的一端，让纸带穿过打点计时器，用手提着纸带E选择一条纸带，用刻度尺测出物体下落的高度h1、h2、h3hn，计算出对应的瞬时速度v1、v2、v3vn.F分别算出mv和mghn，在实验误差范围内看是否相等解析(1)要验证从第2点到第6点之间的纸带对应重物的运动过程中机械能守恒，应测出第2点到第6点的距离h26，要计算第2点和第6点的速度v2和v6，必须测出第1点到第3点之间的距离h13和第5点到第7点之间的距离h57，机械能守恒的表达式为mgh26mvmv.答案(1)第2点到第6点之间的距离h26第1点到第3点之间的距离h13第5点到第7点之间的距离h57第2点的瞬时速度v2第6点的瞬时速度v6mgh26mvmv(2)ADBCEF处理实验问题，要明确实验原理，根据原理设计实验步骤，有针对性的分析问题.1在“验证机械能守恒定律”的实验中，下面列出一些实验步骤：A用天平称出重物和夹子的重量B把重物系在夹子上C将纸带穿过计时器，上端用手提着，下端夹上系住重物的夹子，再把纸带向上拉，让夹子靠近打点计时器静止D把打点计时器接在学生电源的交流输出端，把输出电压调至6 V(电源不接通)E把打点计时器固定在桌边的铁架台上，使两个限位孔在同一竖直线上F在纸带上选取几个点，进行测量和记录数据G用秒表测出重物下落时间H接通电源，待计时器响声稳定后释放纸带I切断电源J更换纸带，重新进行两次K在三条纸带中选出较好的一条L进行计算，得出结论，完成报告M拆下导线，整理器材以上步骤中，不必要的有_，正确步骤的合理顺序是_(填写字母)解析只为了验证机械能守恒，没必要称量重物的质量打点计时器本身就是计时仪器，不再需要秒表答案AGEDBCHIJMKFL数据处理与误差分析一、数据处理1计算各点对应的瞬时速度：记下第1个点的位置O，在纸带上从离O点适当距离开始选取几个计数点1、2、3n并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3hn再根据公式vn，计算出1、2、3、4n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4vn.2机械能守恒验证方法一：利用起始点和第n点从起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn，动能增加量为mv，计算ghn和v，如果在实验误差允许的范围内ghnv，则机械能守恒定律得到验证方法二：任取两点A、B.从A点到B点，重力势能减少量为mghAmghB，动能增加量为mvmv，计算ghAB和vv，如果在实验误差允许的范围内ghABvv，则机械能守恒定律得到验证方法三：图象法计算各计数点v2，以v2为纵轴，以各计数点到第一个点的距离h为横轴，根据实验数据绘出v2h图线若在误差许可的范围内图象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二、误差分析1在进行长度测量时，测量及读数不准造成误差2重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内能，下落高度越大，机械能损失越多，所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象3由于交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而产生误差三、注意事项1应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：(1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力(2)应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，使空气阻力减小2纸带选取：(1)以第一个点为起点时，要验证的是mvmghn，必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距为hgt210(0.02)2 m2 mm.(2)以下落中某点为起点时，要验证的是mvmvmghmn，这时选择纸带不需要满足两点间距为2 mm.3计算速度时不能用vgt或v，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误【例2】某实验小组“用落体法验证机械能守恒定律”，实验装置如图甲所示实验中测出重物自由下落的高度h及对应的瞬时速度v，计算出重物减少的重力势能mgh和增加的动能mv2，然后进行比较，如果两者相等或近似相等，即可验证重物自由下落过程中机械能守恒请根据实验原理和步骤完成下列问题：甲丙乙(1)关于上述实验，下列说法中正确的是_A重物最好选择密度较小的木块B重物的质量可以不测量C实验中应先接通电源，后释放纸带D可以利用公式v来求解瞬时速度(2)如图乙是该实验小组打出的一条点迹清晰的纸带，纸带上的O点是起始点，选取纸带上连续的点A、B、C、D、E、F作为计数点，并测出各计数点到O点的距离依次为27.94 cm、32.78 cm、38.02 cm、43.65 cm、49.66 cm、56.07 cm.已知打点计时器所用的电源是50 Hz的交流电，重物的质量为0.5 kg，则从计时器打下点O到打下点D的过程中，重物减小的重力势能Ep_J；重物增加的动能Ek_J，两者不完全相等的原因可能是_(重力加速度g取9.8 m/s2，计算结果保留三位有效数字)(3)实验小组的同学又正确计算出图乙中打下计数点A、B、C、D、E、F各点的瞬时速度v，以各计数点到A点的距离h为横轴，v2为纵轴作出图象，如图丙所示，根据作出的图线，能粗略验证自由下落的物体机械能守恒的依据是_解析(1)重物最好选择密度较大的铁块，受到的阻力较小，故A错误本题是以自由落体运动为例来验证机械能守恒定律，需要验证的方程是mghmv2，因为我们是比较mgh、mv2的大小关系，故m可约去，不需要用天平测量重物的质量，操作时应先接通电源，再释放纸带，故B、C正确不能利用公式v来求解瞬时速度，否则体现不了实验验证，却变成了理论推导，故D错误(2)重力势能减小量Epmgh0.59.80.436 5 J2.14 J利用匀变速直线运动的推论：vD m/s2.91 m/s，EkDmv0.52.912 J2.12 J，动能增加量EkEkD02.12 J由于存在阻力作用，所以减小的重力势能大于动能的增加(3)根据表达式mghmv2，则有v22gh；当图象的斜率为重力加速度的2倍时，即可验证机械能守恒，而图象的斜率k m/s219.52 m/s2，因此能粗略验证自由下落的物体机械能守恒答案(1)BC(2)2.142.12重物下落过程中受到阻力作用(3)图象的斜率等于19.52 m/s2，约为重力加速度g的两倍，故能验证2某同学做验证机械能守恒定律实验时，不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏，损坏的是前端部分剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图中，单位是cm.打点计时器工作频率为50 Hz，重力加速度g取9.8 m/s2.(1)重物在2点的速度v2_，在5点的速度v5_，此过程中动能增加量Ek_，重力势能减少量Ep_.由以上可得出实验结论_.(2)重物获得的动能往往_(A.大于B小于C等于)减少的重力势能，实验中产生系统误差的原因是_.(3)根据实验判断下列图象正确的是(其中Ek表示重物动能的变化量，h表示物体下落的高度)()解析(1)根据匀变速直线运动的规律，可以求出重物在2点的速度v2 m/s1.50 m/s，重物在5点的速度v5m/s2.075 m/s，所以动能增加量为Ekmvmv1.03m J，重物从2点到5点，重力势能减少量为Epmgh25m9.8(3.23.64.0)102 J1.06m J，由以上可得出实验结论为：在误差允许的范围内，机械能守恒(2)由于纸带受到摩擦力作用，需克服摩擦力做功，所以获得的动能小于减少的重力势能(3)重物机械能守恒，重物减少的重力势能转化为增加的动能，即Ekmgh，可见重物增加的动能与下落的距离成正比，选项C正确答案(1)1.50 m/s2.075 m/s1.03m J1.06m J在误差允许的范围内，机械能守恒(2)B纸带受到摩擦力作用(3)C1在“验证机械能守恒定律”实验中，纸带将被释放瞬间的四种情况如照片所示，其中最合适的是()D开始释放时，重锤要靠近打点计时器，纸带应保持竖直方向，故D正确2(多选)用自由落体法验证机械能守恒定律，就是看mv是否等于mghn(n为计数点的编号)下列说法中正确的是()A打点计时器打第一个点0时，重物的速度为零Bhn是计数点n到起始点0的距离C必须测量重物的质量D用vngtn计算vn时，tn(n1)T(T为打点周期)AB本实验的原理是利用重物的自由落体运动来验证机械能守恒定律因此打点计时器打第一个点时，重物运动的速度应为零，A正确；hn与vn分别表示打第n个点时重物下落的高度和对应的瞬时速度，B正确；本实验中，不需要测量重物的质量，因为公式mghmv2的两边都有m，故只要ghv2成立，mghmv2就成立，机械能守恒定律也就被验证了，C错误；实验中应用公式vn来计算vn，D错误3在“验证机械能守恒定律”的实验中，某同学实验时，手总是抖动，找不出一条起始点迹清晰的纸带，该同学便选取一段纸带进行测量，如图所示，A、B、C、D、E、F是以2个计时点为1个计数点，其测量结果是AB4.53 cm，AC10.58 cm，AD18.17 cm，AE27.29 cm，AF37.94 cm(g取9.8 m/s2)(1)若重物质量为m，从B到E重力势能减少了多少？(2)从B到E动能增加了多少？(3)试对实验结果进行分