2019-2020学年高中物理第2章第1课时实验探究动能与重力势能的转化和守恒学案鲁科版必修2

1、第1课时 实验：探究动能与重力势能的转化和守恒各分健新南基固水胆确原理h_学生用书P25、实验目的探究机械能守恒定律.二、实验原理在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能相互转化，但总的机械能保持不变.若物体某时刻的瞬时速度为 v,下落的高度为h,则物体重力势能的减少量为 mgh 1 2 一“，1 2 rv2 动能的增加量为2mV,如果在实验误差允许的范围内，mgh= mV,即gh=22验证了机械能守恒定律.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.四、实验步骤1 .安装置：按图将检查、调整好的打点

2、计时器竖直固定在铁架台上，接好电路.打点忙 计时器幽带 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勺纸带，把纸带上打出的两点间的距离为2 mm勺第一个点作为起始点， 记作0,在距离0点较远处再依次选出计数点 1、 2、34 .测距离：用刻度尺测出 0点到1、2、3的距离，即为对应下落的高度h、h、h3 -五、数据处理1.方法一：利用起始点和第n个点 .1 01c从起始点到第n个计数点

3、，重力势能减少重为 mgh,动能增加重为2mv，计算ghn和2vn,1 2如果在实验误差允许的范围内ghi=-v2,则机械能守恒定律得到验证.2 .方法二：任取两点 A B从A点到B点，重力势能减少量为 mgh mgb,动能增加量为；mG gmV,计算ghAB和1O 1 o1 o 1 OvB-2vA,如果在实验误差允许的范围内ghAB= vB 2vA,则机械能守恒定律得到验证.3 .方法三：图象法计算各计数点2v2,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2h图象.若在实验误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线，如图所示，则验证了机械能守恒定律.六、误差分

4、析重物下落要克服阻力做功，因此减小的重力势能略大于增加的动能.七、注意事项1 .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，以减小阻力的影响.2 .实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直.接通电源后，等打点计时器工 作稳定再松开纸带.1 23 .纸带选取时以第一个点为起点时，要验证的是-m= mgh,必须保证纸带上的第一个 1212点为重物静止释放时打的点，所以刖两个点的间距约为h = 2gt =-x 10X ( 0.02) m=2 mm.4 .实验中的三种验证方法均不需要测量重物的质量m5

5、 .计算速度时不能用 v=gt或v = V2,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 净点明示5例感悟学生用书P25类型一实验步骤的考查I例某同学为验证机械能守恒定律编排了如下实验步骤：A.用天平称出重物的质量；B.把纸带固定到重物上，并把纸带穿过打点计时器，提升到一定高度；C.拆掉导线，整理仪器；D.断开电源，更换纸带，重做两次；E.用停表测出重物下落的时间；F.用毫米刻度尺测出计数点与起点的距离，记录数据，并计算出结果，得出结论；G.把打点计时器接到低压交流电源上；H.接通电源，释放纸带；I .把打点计时器接到低压直流电源上；J.把打点计时器固定到桌边的铁架台上.上述实验步

6、骤中错误的是 ,可有可无的是,其余正确且必要的步骤按 实验操作顺序排列是.(均只需填步骤的代号)解析上述实验步骤中错误的是 E和I ,因为实验中不需要测定时间，打点计时器应 使用低压交流电源.可有可无的实验步骤是 A.其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列 是：JGBHDCF.答案EI A JGBHDCF对于物理实验，掌握实验原理和操作方法是最基本的要求.只有掌握了实验原理， 才能判断出实验步骤中哪些是错误的，哪些是必要的；只有亲自动手完成实验，才能知道实验的正确操作步骤.类型二对实验数据的处理和误差分析的考查某次“验证机械能守恒定律”的实验中，用6 V、50 Hz的打点计时器打出的一条无漏点

7、的纸带如图所示，O点为重锤下落的起点，选取的计数点为A、B、G D,各计数点到O点的长度已在图上标出，单位为毫米，重力加速度取9.8 m/s 2,若重锤质量为1 kg.百a . ? ' r即展鹏用打点计时器打出 B点时，重锤下落的速度 Vb=m/s,重锤的动能 Rb= J.(2)从开始下落算起，打点计时器打B点时，重锤的重力势能减小量为 J.(3)根据纸带提供的数据， 在误差允许的范围内， 重锤从静止开始到打出 B点的过程中， 得到的结论是解题探究(1)如何计算打出B点时的瞬时速度?(2)题中提到“在误差允许范围内”，误差是怎样产生的?解析 (1) 打点时间间隔为T= 品 s =0。2

8、 s , 则 Vb=-i 乂 ( o乂 n I?一£502 人(,2 A 0.02 S;1.175 m/s ;重锤的动能为Eb= 2mB= 1x1X(1.175) 2 J =0.690 3 J.(2)从开始下落算起，打点计时器打B点时重力势能的减少量为A曰=mgh=-31X9.8X70.5X10 J = 0.690 9 J.在误差允许的范围内，减小的重力势能等于增加的动能.答案(1)1.1750.690 3(2)0.690 9在误差允许的范围内，减小的重力势能等于增加的动能囱目口国(1)速度不能用Vn = gtn或Vn=，为H计算，因为只要认为加速度为g ,机械能一定守恒,相当于用机

9、械能守恒定律验证机械能守恒.12 , vn .(2)重物下落图度h也只能用刻度尺测量得出，不能用柞=可3或hn = 丁求解.22g实验改进与创新例R)利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图所示.滑块导轨nr.定用轮(1)实验步骤：将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m,将导轨调至水平.用游标卡尺测量挡光条的宽度l = 9.30 mm.由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s=cm.将滑块移至光电门1左侧某处，待祛码静止不动时，释放滑块，要求祛码落地前挡光条已通过光电门 2.从数字计时器(实验装置图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间A t1和At 2.用

10、天平称出滑块和挡光条的总质量M,再称出托盘和石I码的总质量m(2)用表示直接测量量的字母写出下列所求物理量的表达式：滑块通过光电门1和光电门2的瞬时速度分别为 V1 =和V2=.当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和祛码)的总动能 分另1J 为 Ek1 =和 E(2 =.在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量AEp=(重力加速度为g) .(3)如果A 5=(用国和&表示)，则可认为验证了机械能守恒定律.解析(1)距离 s= 80.30 cm -20.30 cm =60.00 cm.(2)挡光条的宽度l用游标卡尺测量，挡光时间At可从数字计时器读

11、出，因此，滑块通过光电门i和光电门2时的瞬时速度分别为V2=1rv一 .一 . 1°1当滑块通过光电门1和光电门2时，系统的总动能分别为氏=2(火n)vi=-(Ml 2m TT=2( m+ m v2= 2( m+ m在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量AEp=mgs(3)如果在误差允许的范围内A E= E(2-E<1,则可认为验证了机械能守恒定律.答案(1)60.00(59.96 60.04之间均可) 士触m *2( M m) mgs (3) & 一&验证机械能守恒定律时，要测出初状态、末状态的速度和物体下落的高度. 只要符合机 械能守恒定律

12、的条件， 都可以用来验证机械能守恒定律， 但在涉及拓展实验时， 还要考虑实 验的科学性、准确性及可操作性，同时明确满足机械能守恒的条件.随堂演练学生用书P27旦1 .用如图所示装置验证机械能守恒定律，由于电火花计时器两限位孔不在同一竖直线上，使纸带通过时受到较大的阻力，这样实验造成的结果A.重力势能的减少量明显大于动能的增加量B.重力势能的减少量明显小于动能的增加量C.重力势能的减少量等于动能的增加量D.以上几种情况都有可能解析：选 A.由于重物下落时要克服阻力做功，重物减少的重力势能转化为重物的动能和系统的内能，故重力势能的减少量大于动能的增加量，A正确.2 .利用自由落体运动验证机械能守恒

13、定律，就是看；mV是否等于mgh.下列说法中正确的是（）A.打点计时器才T第一个点 O时，重物的速度不一定为零B. hn是点n到点O的距离C. m为重物的质量，需用天平称量D.计算 Vn 要用 Vn=gtn,其中 tn=（n 1）T1 2、斛析：选B.从机械能寸恒的角度来看，重力势能全部转化为动能，要使mv=mgh,初动能必须为零，选项 A错误；hn代表下落的高度，所以选项 B正确；从等式中看出 m可以约 掉，所以不需要用天平测出其质量，选项 C错误；求vn时，应该用点n前1点到后1点的 距离除以这段长度对应的时间来求 Vn的大小，也就是求中间时刻的速度，选项 D错误.3.（多选）如图所示是用

14、自由落体法验证机械能守恒定律时得到的一条纸带，有关尺寸 在图中已注明.我们选中 n点来验证机械能守恒定律.下面举出一些计算n点速度的方法，其中正确的是（）13A. n点是第n个点，则vn= gnTB. n点是第n个点，则Vn=g（n1）TC.Sn+ Sn+ 1Vn=2TD.Vn =hn+ 1 - hn- 12T解析：选CD.n点的瞬时速度等于 Sn与Sn+1段的平均速度.4.&II 1如图所示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：（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

15、字母）A.米尺B.秒表C. 012 V的直流电源D. 012 V的交流电源（2） 实 验 中 误 差 产 生 的 原 因 有写出两个原因）解析：（i）用米尺测量长度，打点计时器需要使用交流电源.（2）纸带和打点计时器之间有摩擦；用米尺测量纸带上各点的位置时读数有误差；计算势能的变化时，选取始末两点的距离过近；交流电的频率不稳定.这些都是产生误差的原因.答案：（1）AD （2）纸带和打点计时器之间有摩擦；用米尺测量纸带上各点的位置时读数有误差；计算势能的变化时，选取始末两点的距离过近；交流电的频率不稳定（任选其二）5 .甲同学准备做“验证机械能守恒定律”实验，乙同学准备做“探究加速度与力、质 量

16、的关系”实验.（1）图中A、R C 口 E表示部分实验器材，甲同学需在图中选用的器材有 乙同学需在图中选用的器材有 .（用字母表示）?>$f-11州2*11 4H 3曾M 2 3 ，. . 281 n而叫叩加叫门和iinri叫|叫力卬啊 市（2）乙同学在实验室选齐所需器材后，经正确操作获得如图所示的两条纸带和.纸带的加速度大（填“”或""），其加速度大小为解析：（1）要采用落体法做“验证机械能守恒定律”实验，需要下落的重物A和打点计D,拉动小车的钩时器B;要做“探究加速度与力、质量的关系”实验，需要研究对象小车 码E及打点计时器B(2)纸带的加速度大小为ai =(X5

17、 + X4) ( Xl + X2)6T2(38.10 34.20) ( 32.40 29.10 ) X10TZ_ 26X 0.02-22m/s=2.5 m/s 2纸带的加速度大小为a2=(X5 + X4) ( X1 + X2)6T2(35.90 32.35) ( 30.65 27.40 ) X106 0.022,2-m/s .2=1.25 m/s因此纸带的加速度大，大小为 2.5 m/s 2.答案：(1) AB BDE(2) 2.5 m/s 2(2.3 2.7 m/s 2 均可)6.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50 Hz ,2查得当地的重力加速度g=9.8

18、m/s ,某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量时各计数点对应刻度尺上的读数如图所示，图中O点是打点计时器打出的第一个点,分别是每打两个点取的计数点.则重物由O点运动到B点时(重物质量为 mkg)(1)重力势能的减少量是(2)重力势能的减少量J .动能的增加量是单位i cni13.40 19 JO 28.9538.13J.(“略大于”或“略小于”)动能的增加量，原因是 根据计算的数据得出的结论:解析：(1)重力势能的减少量为Ab=mghB= m< 9.8X0.195 J = 1.911 mJ.重物下落到B点时的速度为hACvb=二1.944 m/s 4T所以重物从开始下落到B点增加的动

19、能为AEc = 1mB1.89 mJ.2(2)略大于；由于空气阻力和限位孔的摩擦阻力做功，将部分机械能转化为内能.(3)从以上计算的数据得出：在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能，即机械能守恒.答案：(1)1.911 m 1.89 m(2)略大于见解析(3)在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能，即机械能守恒7 .在用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中：所用重锤的质量 m= 1.0 kg,打点计时器所用电源的频率为50 Hz,打下的纸带如图所示(图中的数据为从起始点 OBU该点白距离)，则在打B点时，重锤的速度vb=m/s, 重锤的动能E =J,从开始

20、下落到打 B点时，重锤的势能减少量是 J_(保 留两位有效数字)0 IB.« 3L4如.加巾(2)根据纸带算出各点的速度v,量出下落距离 h,则以v2为纵轴，以h为横轴，画出的图线应是图中的AC (50.2 18.6 ) X 10 3解析：(1) VB=-=()2T2X0.02=0.79 m/sE=1m= 1X 1.0 X 0.79 2 J =0.31 J22Ab=mgh 0=1.0 X9.8 X32.4 X 10 3 J 0=0.32 J.(2)由于在误差允许范围内，下落过程满足机械能守恒,则2mV=mgh即v2 = 2gh8h.故选项C正确.答案：(1)0.790.310.32(

21、2)C8 .某同学根据机械能守恒定律，设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系.(1)如图(a),将轻质弹簧下端固定于铁架台，在上端的托盘中依次增加祛码，测量相应的弹簧长度，部分数据如下表，由数据算得劲度系数k =N/m.( g取9.80 m/s 2)祛码质里/g50100150弹黄长度/cm8.627.636.66(2)取下弹簧，将其一端固定于气垫导轨左侧，如图(b)所示，调整导轨使滑块自由滑动时，通过两个光电门的速度大小 .(3)用滑块压缩弹簧，记录弹簧的压缩量x；释放滑块，记录滑块脱离弹簧后的速度 v.释放滑块过程中，弹簧的弹性势能转化为 .(4)重复(3)中的操作，得到v与x的关系如图

22、(c),由图可知，v与x成 关系.由上述实验可得结论：对同一根弹簧，弹性势能与弹簧的 成正比.解析：加50 g祛码时，弹簧弹力 F = mg= k(l 0 l 1),力口 100 g祛码时F2 = 2mg= k( 10-1 2) , A F=F2-F1=k(l 1-l 2),则 k = 49.5 N/m,同理由加 100 g 祛码和加 150 g 祛码的 k+k'情况可求得 k =50.5 N/m,则劲度系数 k = 2= 50 N/m.(2)使滑块通过两个光电门时的速度大小相等，就可以认为滑块离开弹簧后做匀速直线运动.(3)弹性势能转化为滑块的动能.(4)图线是过原点的直线，所以 v与x成正比，整个过程弹性势能转化为动能，即 E弹1 2 = Ek=2m2,弹性势能与速度的二次方成正比，则弹性势能与压缩量x的二次方成正比.答案：(1)50(2)相等(3)滑