《（浙江專用）2022-2023學年高中物理 第七章 機械能守恒定律 9 實驗：驗證機械能守恒定律學案 新人教版必修2》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《（浙江專用）2022-2023學年高中物理 第七章 機械能守恒定律 9 實驗：驗證機械能守恒定律學案 新人教版必修2（14頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、（浙江專用）2022-2023學年高中物理 第七章 機械能守恒定律 9 實驗：驗證機械能守恒定律學案 新人教版必修2學習目標1.學會用落體法驗證機械能守恒定律.2.理解實驗的設計思路，熟悉實驗操作，明確實驗直接測量的物理量.3.掌握實驗數(shù)據(jù)的處理方法，能定性分析誤差產生的原因.考試要求學考選考一、實驗原理做自由落體運動的物體，在下落過程中，重力勢能減少，動能增加，如果重力勢能的減少量等于動能的增加量，就驗證了機械能守恒定律.二、實驗器材鐵架臺(帶鐵夾)、電磁打點計時器、重物(帶夾子)、紙帶、復寫紙、導線、毫米刻度尺、低壓交流電源(46 V).三、實驗步驟1.安裝裝置：按圖1甲所示把打點計時器安

2、裝在鐵架臺上，用導線把打點計時器與電源連接好.圖12.打紙帶：在紙帶的一端把重物用夾子固定好，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物停靠在打點計時器附近.先接通電源后釋放紙帶，讓重物拉著紙帶自由下落.重復幾次，得到35條打好點的紙帶.3.選紙帶：從打好點的紙帶中挑選點跡清晰且開始的兩點間距接近2 mm的一條紙帶，在起始點標上0，以后任取間隔相同時間的點依次標上1、2、3.4.測距離：如圖乙所示，用刻度尺測出0到1、2、3的距離，即為對應下落的高度h1、h2、h3.四、數(shù)據(jù)處理1.計算各點對應的瞬時速度：根據(jù)公式vn，計算出1、2、3n點的瞬時速度v1、v2、v3vn.2.機械能守

3、恒定律驗證方法一：利用起始點和第n點.如果在實驗誤差允許范圍內ghnvn2，則機械能守恒定律得到驗證.方法二：任取兩點A、B.如果在實驗誤差允許范圍內ghABvB2vA2，則機械能守恒定律得到驗證.方法三：圖象法(如圖2所示).圖2作出v2h圖線，若在實驗誤差允許范圍內圖線是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒定律.五、誤差分析本實驗的誤差主要是由紙帶測量產生的偶然誤差以及重物和紙帶運動中的空氣阻力及打點計時器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差.六、實驗注意事項1.打點計時器安裝要穩(wěn)固，并使兩限位孔的中線在同一豎直線上，以減小摩擦阻力.2.應選用質量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對

4、減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力的影響相對減小.3.實驗時，應先接通電源，讓打點計時器正常工作后再松開紙帶讓重物下落.4.本實驗中的三種驗證方法均不需要測重物的質量m.5.速度不能用vgt或v計算，應根據(jù)紙帶上測得的數(shù)據(jù)，利用vn計算瞬時速度.一、實驗原理及基本操作例1在驗證機械能守恒定律的實驗中有位同學按以下步驟進行實驗操作：A.用天平稱出重錘和夾子的質量；B.固定好打點計時器，將連著重錘的紙帶穿過限位孔，用手提住，且讓手盡量靠近打點計時器；C.松開紙帶，接通電源，開始打點.并如此重復多次，以得到多條打點紙帶；D.取下紙帶，挑選點跡清晰且開始的兩點間距接近2 mm的紙帶，記下起始點O

5、，在距離O點較近處選擇幾個連續(xù)的計數(shù)點(或計時點)，并計算出各點的速度值；E.測出各計數(shù)點到O點的距離，即得到重錘的下落高度；F.計算出mghn和mvn2，看兩者是否相等.在以上步驟中，不必要的步驟是_.有錯誤或不妥的步驟是_.(填寫代表字母)更正情況是：_；_；_；_.答案ABCDFB中手應抓住紙帶末端，讓重錘盡量靠近打點計時器C中應先接通電源，再松開紙帶D中應選取離O點較遠的點F中應計算ghn和vn2的值解析A步驟不必要，不稱量重錘的質量也可驗證機械能守恒定律；B步驟中應讓重錘盡量靠近打點計時器，而不是手靠近；C步驟中應先接通電源，后釋放紙帶；D步驟中應選取離O點較遠的點，這樣測量時距離較

6、遠，測量的相對誤差較??；F步驟中應計算ghn和vn2的值，若m沒有測量，就不能計算出mghn、mvn2具體的值.【考點】驗證機械能守恒定律的實驗步驟【題點】驗證機械能守恒定律的實驗步驟針對訓練(多選)用自由落體法驗證機械能守恒定律，就是看mvn2是否等于mghn(n為計數(shù)點的編號0、1、2n).下列說法中正確的是()A.打點計時器打第一個點0時，重物的速度應為零B.hn是計數(shù)點n到起始點0的距離C.必須測量重物的質量D.用vngtn計算vn時，tn(n1)T(T為打點周期)答案AB解析本實驗的原理是利用重物的自由落體運動來驗證機械能守恒定律，因此打點計時器打第一個點時，重物運動的速度應為零，A

7、正確；hn與vn分別表示打第n個點時重物下落的高度和對應的瞬時速度，B正確；本實驗中，不需要測量重物的質量，因為公式mghmv2的兩邊都有m，故只要ghv2成立，mghmv2就成立，機械能守恒定律也就被驗證了，C錯誤；實驗中應用公式vn來計算vn，D錯誤.【考點】驗證機械能守恒定律的實驗原理【題點】驗證機械能守恒定律的實驗原理二、數(shù)據(jù)處理及誤差分析例2(2018嘉興市第一中學高三上學期期末考試)在“驗證機械能守恒定律”的實驗中：(1)實驗室提供了鐵架臺、夾子、導線、紙帶等器材.為完成此實驗，除了所給的器材，下列圖中還需要選取的實驗器材有_(填字母代號)(2)下列方法有助于減小實驗誤差的是_.A

8、.在重錘的正下方地面鋪海綿B.必須從紙帶上第一個點開始計算驗證機械能是否守恒C.重復多次實驗，重物必須從同一位置開始下落D.重物的密度盡量大一些(3)完成實驗后，小明用刻度尺測量紙帶距離時如圖3所示，已知打點計時器每0.02 s打一個點，則B點對應的速度vB_ m/s.圖3若H點對應的速度為vH，重物下落的高度為hBH，重物質量為m，當?shù)刂亓铀俣葹間，為得出實驗結論完成實驗，需要比較mghBH與_的大小關系(用題中字母表示).答案(1)AEF(2)D(3)1.36mvH2mvB2例3某實驗小組“用落體法驗證機械能守恒定律”，實驗裝置如圖4甲所示.實驗中測出重物自由下落的高度h及對應的瞬時速度

9、v，計算出重物減少的重力勢能mgh和增加的動能mv2，然后進行比較，如果兩者相等或近似相等，即可驗證重物自由下落過程中機械能守恒.請根據(jù)實驗原理和步驟完成下列問題：圖4(1)關于上述實驗，下列說法中正確的是_.A.重物最好選擇密度較小的木塊B.重物的質量可以不測量C.實驗中應先接通電源，后釋放紙帶D.可以利用公式v來求解瞬時速度(2)如圖乙是該實驗小組打出的一條點跡清晰的紙帶，紙帶上的O點是起始點，選取紙帶上連續(xù)的點A、B、C、D、E、F作為計數(shù)點，并測出各計數(shù)點到O點的距離依次為27.94 cm、32.78 cm、38.02 cm、43.65 cm、49.66 cm、56.07 cm.已知打

10、點計時器所用的電源是50 Hz的交流電，重物的質量為0.5 kg，則從計時器打下點O到打下點D的過程中，重物減少的重力勢能Ep_ J；重物增加的動能Ek_ J，兩者不完全相等的原因可能是_.(重力加速度g取9.8 m/s2，計算結果均保留三位有效數(shù)字)(3)實驗小組的同學又正確計算出圖乙中打下計數(shù)點A、B、C、D、E、F各點的瞬時速度v，以各計數(shù)點到A點的距離h為橫軸，v2為縱軸作出圖象如圖丙所示，根據(jù)作出的圖線，能粗略驗證自由下落的物體機械能守恒的依據(jù)是_.答案(1)BC(2)2.142.12重物下落過程中受到阻力作用(3)圖象的斜率等于19.52，約為重力加速度g的兩倍解析(1)重物最好選

11、擇密度較大的鐵塊，受到的阻力較小，故A錯誤.本題是以自由落體運動為例來驗證機械能守恒定律，需要驗證的方程是mghmv2，因為是比較mgh、mv2的大小關系，故m可約去，不需要用天平測量重物的質量，操作時應先接通電源，再釋放紙帶，故B、C正確.不能利用公式v來求解瞬時速度，否則體現(xiàn)不了實驗驗證，卻變成了理論推導，故D錯誤.(2)重力勢能減少量Epmgh0.59.80.436 5 J2.14 J.利用勻變速直線運動的推論：vD m/s2.91 m/s，EkDmvD20.52.912 J2.12 J，動能增加量EkEkD02.12 J.由于存在阻力作用，所以減少的重力勢能大于增加的動能.(3)根據(jù)表

12、達式mghmv2，則有v22gh；當圖象的斜率為重力加速度的2倍時，即可驗證機械能守恒，而圖象的斜率k19.52；因此能粗略驗證自由下落的物體機械能守恒.1.(實驗器材和誤差分析)(2016浙江4月選考科目考試)(1)做“驗證機械能守恒定律”的實驗，已有鐵架臺、鐵夾、電源、紙帶、打點計時器，還必須選取的器材是圖中的_.(2)某同學在實驗過程中：在重物的正下方地面鋪海綿；調整打點計時器的兩個限位孔連線為豎直；重復多次實驗.以上操作可減小實驗誤差的是_(填序號).答案(1)BD(2)解析(1)選用器材B作為重物，可以夾住紙帶，帶動紙帶向下運動，選用器材D用來測量重物下落的高度.(2)操作是為了減小

13、摩擦帶來的負面影響.操作是為了減小偶然誤差.2.(數(shù)據(jù)處理)用落體法驗證機械能守恒定律的實驗中：(1)運用公式mgh對實驗條件的要求是_，打點計時器打點的時間間隔為0.02 s，則所選擇的紙帶第1、2兩點間的距離應接近_.(2)若實驗中所用重物的質量m1 kg，打點紙帶如圖5所示，打點時間間隔為0.02 s，則記錄B點時，重物的速度vB_，重物的動能EkB_，從開始下落起至B點時重物的重力勢能減少量是_，由此可得出的結論是_.(g9.8 m/s2，結果保留三位有效數(shù)字)圖5答案(1)重物從靜止開始自由下落2 mm(2)0.585 m/s0.171 J0.172 J在誤差允許范圍內機械能守恒解析

14、(1)重物自由下落時，在最初0.02 s內的位移應為hgT29.8(0.02)2 m2 mm.(2)vB m/s0.585 m/s，此時重物的動能為EkBmvB21(0.585)2 J0.171 J，重物的重力勢能減少量為EpBmgh19.817.6103 J0.172 J.故在誤差允許范圍內機械能守恒.3.(數(shù)據(jù)處理和誤差分析)(2018臺州中學高三第一學期第一次統(tǒng)練)某活動小組利用圖6裝置驗證機械能守恒定律，鋼球自由下落過程中，先后通過光電門A、B，計時裝置測出鋼球通過A、B的時間分別為tA、tB，鋼球直徑為D.用鋼球通過光電門的平均速度表示鋼球球心通過光電門的瞬時速度.測出兩光電門間的距

15、離為h，當?shù)氐闹亓铀俣葹間.(1)要驗證機械能守恒，只要比較_.圖6A.D2與gh是否相等B.D2與2gh是否相等C.D2與gh是否相等D.D2與2gh是否相等(2)鋼球通過光電門的平均速度_(選填“”或“”)鋼球球心通過光電門的瞬時速度，由此產生的誤差_(選填“能”或“不能”)通過增加實驗次數(shù)減小.答案(1)D(2)不能1.(多選)為驗證在自由落體過程中物體的機械能是守恒的，某同學利用實驗系統(tǒng)設計了一個實驗，實驗裝置如圖1所示，圖中A、B兩點分別固定了兩個速度傳感器，速度傳感器可以測出運動物體的瞬時速度.在實驗中測得一物體自由下落經過A點時的速度是v1，經過B點時的速度是v2，為了證明物體

16、經過A、B兩點時的機械能相等，這位同學又設計了以下幾個步驟，你認為其中不必要或者錯誤的是()圖1A.用天平測出物體的質量B.測出A、B兩點間的豎直距離C.利用mv22mv12算出物體從A點運動到B點的過程中動能的變化量D.驗證v22v12與2gh是否相等答案AC解析物體重力勢能減少量為mgh，動能增加量為mv22mv12，計算gh和v22v12，如果在實驗誤差允許的范圍內ghv22v12，則機械能守恒定律得到驗證，綜上應選A、C.【考點】驗證機械能守恒定律的實驗原理【題點】驗證機械能守恒定律的實驗原理2.在驗證機械能守恒定律的實驗中：(1)從下列器材中選出實驗所必需的，其編號為_.A.打點計時

17、器(包括紙帶) B.重物C.天平 D.毫米刻度尺E.秒表 F.運動小車(2)打點計時器的安裝放置要求為_；開始打點時，應先_，然后_.(3)實驗中產生系統(tǒng)誤差的原因主要是_，使重物獲得的動能往往_重物減少的重力勢能.為減小誤差，懸掛在紙帶下的重物應選擇_.(4)如果以v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出的v2h圖線是_，該圖線的斜率等于_.答案見解析解析(1)選出的器材有：打點計時器(包括紙帶)、重物、毫米刻度尺.因要驗證mghmv2，其中m可消去，故不需要用天平.故選A、B、D.(2)打點計時器安裝時，兩限位孔必須在同一豎直線上，這樣才能使重物在自由下落時，受到的阻力較小，開始記錄時，應

18、先接通電源，然后釋放紙帶，讓重物帶著紙帶一同落下.(3)產生系統(tǒng)誤差的原因主要是紙帶通過打點計時器時受到摩擦阻力及重物和紙帶運動中的空氣阻力，導致重物獲得的動能小于它減少的重力勢能，為減小誤差，重物應選質量和密度較大、體積較小的.(4)描繪出來的v2h圖線是一條通過坐標原點的傾斜直線，它的斜率等于重力加速度.【考點】“驗證機械能守恒定律”基本原理的綜合考查【題點】“驗證機械能守恒定律”基本原理的綜合考查3.(2018溫州市六校協(xié)作體期中聯(lián)考)在做“驗證自由落體運動中的機械能守恒定律”實驗中：(1)下列儀器需要用到的是_.(2)在進行實驗時，下列說法正確的是_.A.應用手托住重物由靜止釋放B.紙

19、帶與重物相連端的點跡較密C.可以取連續(xù)的幾個點為計數(shù)點D.應用手接住下落的重物，以免造成實驗儀器損壞(3)如圖2所示為實驗時打出的一條紙帶，則A點的速度大小為_m/s(打點計時器所接電源頻率為50 Hz，結果保留3位有效數(shù)字).圖2答案(1)CE(2)BC(3)1.36(1.351.37均可)解析(1)根據(jù)實驗原理：mghmv2即ghv2，要用打點計時器測量瞬時速度和下落高度，所以需要打點計時器和重物，重物要用重錘，而不是砝碼，故C、E正確.(2)實驗開始時要使紙帶處于豎直狀態(tài)，用手或者夾子固定紙帶上端，然后由靜止釋放，故A錯誤；由于紙帶從上往下運動，所以打點從靠近重物一端開始，故B正確；可以

20、取連續(xù)的幾個點為計數(shù)點，故C正確；為避免造成實驗儀器損壞，應在地上鋪海綿，故D錯誤.(3)根據(jù)A點的速度等于與A點相鄰的兩點間的平均速度，即vA102 m/s1.36 m/s.4.(2017溫州中學11月選考科目模擬考試)某實驗小組做“驗證機械能守恒定律”實驗.(1)除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(含鐵夾)、電磁打點計時器、導線及開關外，在下列器材中，還必須使用的兩種器材是_.A.交流電源B.刻度尺C.天平(含砝碼)(2)實驗中，先接通電源，再釋放重物，得到如圖3所示的一條紙帶.在紙帶上選取三個連續(xù)打出的點A、B、C，測得它們到起始點O的距離分別為hA、hB、hC.已知當?shù)刂亓铀俣葹間，打點計

21、時器打點的周期為T.設重物的質量為m.從打O點到打B點的過程中，重物的重力勢能減少量Ep_，動能增加量Ek_.圖3(3)大多數(shù)學生的實驗結果顯示，重力勢能的減少量大于動能的增加量，原因是_.A.利用公式vgt計算重物速度B.利用公式v計算重物速度C.存在空氣阻力和摩擦阻力的影響D.沒有采用多次實驗取平均值的方法(4)某同學想用下述方法研究機械能是否守恒，在紙帶上選取多個計數(shù)點，測量它們到起始點O的距離h，計算對應計數(shù)點的重物速度v，描繪v2h圖象，并做如下判斷：若圖象是一條過原點的直線，則重物下落過程中機械能守恒.請你分析論證該同學的判斷依據(jù)是否正確_.答案(1)AB(2)mghB(3)C(4

22、)不正確，還需要進一步判斷圖象的斜率是否接近2g5.利用如圖4所示實驗裝置來驗證機械能守恒定律.通過電磁鐵控制的小鐵球從A點自由下落，下落過程中小鐵球經過光電門B時，毫秒計時器(圖中未畫出)記錄下小鐵球的擋光時間t.實驗前調整光電門位置，使小鐵球下落過程中，小鐵球球心垂直細激光束通過光電門，當?shù)刂亓铀俣葹間.圖4(1)為了驗證小鐵球下落過程中機械能是否守恒，還需要測量的物理量是_.A.A點距地面的高度HB.A、B之間的距離hC.小鐵球從A到B的下落時間tABD.小鐵球的直徑d(2)小鐵球通過光電門時的瞬時速度v_；要驗證小鐵球下落過程中機械能是否守恒，只需驗證等式_是否成立即可(用實驗中測得

23、的物理量的符號表示).答案(1)BD(2)h(或d22ght2)解析(1)根據(jù)實驗原理可知，需要測量的是A點到光電門B的距離，故A錯誤，B正確.利用小鐵球通過光電門的平均速度來代替瞬時速度，不需要測量下落時間，但需要知道擋光物體的尺寸，因此需要測量小鐵球的直徑，故C錯誤，D正確.(2)利用小鐵球通過光電門的平均速度來代替瞬時速度，故v；根據(jù)機械能守恒的表達式有mghmv2，可得h(或d22ght2)，故只要驗證h(或d22ght2)即可.6.現(xiàn)利用如圖5所示裝置驗證機械能守恒定律.圖中AB是固定的光滑斜面，斜面的傾角為30，1和2是固定在斜面上適當位置的兩個光電門，與它們連接的光電計時器都沒有

24、畫出.讓滑塊從斜面的頂端滑下，光電門1、2各自連接的光電計時器顯示的擋光時間分別為5.00102 s、2.00102 s.已知滑塊質量為2.00 kg，滑塊沿斜面方向的長度為5.00 cm，光電門1和2之間的距離為0.54 m，g取9.80 m/s2，取滑塊經過光電門時的速度為其平均速度.圖5(1)滑塊經過光電門1時的速度v1_ m/s，通過光電門2時的速度v2_ m/s.(2)滑塊通過光電門1、2之間的動能增加量為_ J，重力勢能的減少量為_ J.答案(1)1.002.50(2)5.255.29解析(1)v1 m/s1.00 m/sv2 m/s2.50 m/s(2)動能增加量：Ek2.00(

25、2.5021.002) J5.25 J.重力勢能的減少量：Ep2.009.800.54sin 30 J5.29 J.7.如圖6所示，某同學利用豎直上拋小球的頻閃照片驗證機械能守恒定律.頻閃儀每隔0.05 s閃光一次，用毫米刻度尺測得相鄰兩個時刻小球上升的高度分別為h126.3 cm，h223.68 cm，h321.16 cm，h418.66 cm，h516.04 cm，該同學通過計算得到不同時刻的速度如下表所示(當?shù)刂亓铀俣萭9.80 m/s2，小球質量m0.10 kg)：圖6時刻t2t3t4t5速度(m/s)4.483.983.47(1)上面測量高度的五個數(shù)據(jù)中不符合有效數(shù)字讀數(shù)要求的是_

26、段，應記作_cm. (2)由頻閃照片上的數(shù)據(jù)計算t2時刻小球的速度v2_ m/s.(計算結果保留三位有效數(shù)字)(3)從t2到t5時間內，重力勢能增加量Ep_ J，動能減少量Ek_ J.(計算結果保留三位有效數(shù)字)(4)在誤差允許的范圍內，若Ep與Ek近似相等，從而驗證了機械能守恒定律.由上述計算所得Ep_Ek(選填“”“”或“”)，造成這種結果的主要原因是_.答案(1)h126.30(2)5.00(3)0.6220.648(4)上升過程中有空氣阻力做負功 (或受到空氣阻力)解析(1)從題中可得測量工具是毫米刻度尺，所以h1在有效數(shù)字讀數(shù)要求上有錯誤，應記作26.30 cm.(2)勻變速直線運動

27、過程中中間時刻的瞬時速度等于該過程中的平均速度，所以有： v25.00 m/s.(3)根據(jù)重力做功和重力勢能的關系有：Epmg(h2h3h4)0.622 JEkmv22mv520.648 J.8.某同學在“驗證機械能守恒定律”時按如圖7甲所示安裝好實驗裝置，正確進行實驗操作，從打出的紙帶中選出符合要求的紙帶，如圖乙所示.圖中O點為打點起始點，且速度為零.圖7(1)選取紙帶上打出的連續(xù)點A、B、C、，測出其中E、F、G點距起始點O的距離分別為h1、h2、h3，已知重錘質量為m，當?shù)刂亓铀俣葹間，打點計時器打點周期為T.為驗證此實驗過程中機械能是否守恒，需要計算出從打下O點到打下F點的過程中，重

28、錘重力勢能的減少量Ep_，動能的增加量Ek_(用題中所給字母表示).(2)以各點到起始點的距離h為橫坐標，以各點速度的平方v2為縱坐標建立直角坐標系，用實驗測得的數(shù)據(jù)繪出v2h圖線如圖8所示，該圖線說明了_.圖8(3)從v2h圖線求得重錘下落的加速度g_m/s2.(結果保留三位有效數(shù)字)答案見解析解析(1)重錘重力勢能的減少量Epmgh2，動能增加量Ek.(2)當物體自由下落時，只有重力做功，物體的重力勢能和動能互相轉化，機械能守恒.(3)由mghmv2可知題圖的斜率表示重力加速度g的2倍，為求直線的斜率，可在直線上取兩個距離較遠的點，如(25.5102,5.0)、(46.5102,9.0)，則g9.52 m/s2.