新教材同步備課2024春高中物理第8章機械能守恒定律5.實驗：驗證機械能守恒定律課件新人教版必修第二冊

第八章機械能守恒定律5．實驗：驗證機械能守恒定律實驗目標1．會用打點計時器打下的紙帶計算物體運動的瞬時速度。2．掌握利用落體法驗證機械能守恒定律的原理和方法。3．會使用氣墊導軌、光電門，理解并掌握利用滑塊沿導軌下滑驗證機械能守恒定律的原理和方法。必備知識·自主預習儲備01關(guān)鍵能力·情境探究達成02類型一實驗原理與操作類型二數(shù)據(jù)處理和誤差分析類型三創(chuàng)新實驗設計類型一實驗原理與操作【典例1】

“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置可以采用圖示的甲或乙方案來進行。(1)比較這兩種方案，________(選填“甲”或“乙”)方案好些。[解析]甲方案摩擦阻力小，誤差小，而且方便操作，所用實驗器材少，所以甲方案好些。甲(2)在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，直接測量的物理量是________。A．重力加速度 B．重物下落的高度C．重物下落的瞬時速度 D．重物下落的平均速度[解析]驗證機械能守恒的實驗，即驗證重力勢能減少量等于動能的增加量，所以重力加速度是已知的，無需測量，A錯誤；實驗要計算重力勢能的減少量，所以需要測量重物下落的高度，B正確；本實驗下落的瞬時速度是根據(jù)紙帶處理得到，無法直接測量，而平均速度本實驗用不到，C、D錯誤?！?3)在進行“驗證機械能守恒定律”的實驗時，應________。A．先釋放紙帶，再接通電源B．用手托住重物由靜止釋放C．根據(jù)v＝gt計算重物在t時刻的速度D．使重物下落的起始位置靠近打點計時器[解析]在實驗時應先接通電源，打點穩(wěn)定后再釋放紙帶，A錯誤；釋放時，紙帶應豎直，減少與限位孔的摩擦，所以釋放時，應按題圖中所示用手豎直提起紙帶，B錯誤；因為要驗證機械能守恒，所以速度需根據(jù)實際的紙帶計算，而不能用自由落體公式計算，因為自由落體運動只受重力，機械能一定守恒，C錯誤；釋放紙帶前，重物應靠近打點計時器，這樣可以充分利用紙帶，D正確?！?/p>

√√(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27.94cm、32.78cm、38.02cm、43.65cm、49.66cm、56.07cm。已知打點計時器所用的電源是50Hz的交流電，重物的質(zhì)量為0.5kg，則從計時器打下點O到打下點D的過程中，重物減小的重力勢能Δ

Ep＝_______J；重物增加的動能Δ

Ek＝_______J，兩者不完全相等的原因可能是___________________________。(重力加速度

g取9.8m/s2，計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)2.122.14重物下落過程中受到阻力作用

(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為縱軸作出圖像，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_______________________________________________________。圖像的斜率等于19.52，約為重力加速度g的兩倍，故能驗證

(1)在彈性限度內(nèi)將鉤碼緩慢下拉至某一位置，測得此時彈簧的長度為L。接通打點計時器電源。從靜止釋放鉤碼，彈簧收縮，得到了一條點跡清晰的紙帶。鉤碼加速上升階段的部分紙帶如圖乙所示，紙帶上相鄰兩點之間的時間間隔均為T(在誤差允許范圍內(nèi)，認為釋放鉤碼的同時打出A點)。從打出A點到打出F點時間內(nèi)，彈簧的彈性勢能減少量為

____________________，鉤碼的動能增加量為____________，鉤碼的重力勢能增加量為________。

mgh5

(2)利用計算機軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理，得到彈簧彈性勢能減少量、鉤碼的機械能增加量分別與鉤碼上升高度h的關(guān)系，如圖丙所示。由圖丙可知，隨著h增加，兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大，主要原因是________。見解析[解析]鉤碼機械能的增加量，即鉤碼動能和重力勢能增加量的總和，若無阻力做功則彈簧彈性勢能的減少量等于鉤碼機械能的增加量。現(xiàn)在隨著h增加，兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大，而兩條曲線在縱向的間隔即阻力做的功，則產(chǎn)生這個問題的主要原因是鉤碼和紙帶運動的速度逐漸增大，導致空氣阻力逐漸增大，以至于鉤碼克服空氣阻力做的功也逐漸增大。學習效果·隨堂評估自測031．用如圖甲所示的裝置驗證機械能守恒定律，若按正確的實驗步驟進行，并選出如圖乙所示的紙帶，回答下列問題：12345(1)紙帶的________(選填“左”或“右”)端與重物相連。12345[解析]物體做加速運動，紙帶上的相鄰點之間的距離越來越大，故紙帶左端與重物相連。左(2)下面列舉了該實驗的幾個操作步驟(示意圖如圖所示)：A．按照圖示的裝置安裝器件；B．將打點計時器接到電源的交流輸出端上；C．用天平測量出重物的質(zhì)量；D．釋放懸掛紙帶的夾子，同時接通電源開關(guān)打出一條紙帶；E．測量紙帶上打出的某些點之間的距離；F．根據(jù)測量的結(jié)果計算重物下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能。1234512345指出其中沒有必要進行的和操作不恰當?shù)牟襟E，將其選項對應的字母填在下面的橫線上，并改正不恰當?shù)牟襟E：沒有必要進行的步驟是________，理由是_______________________________________________，操作不恰當?shù)牟襟E是________，改正為___________________________________。[解析]在驗證機械能守恒時，左右兩邊式子均有質(zhì)量m，可以約去，沒有必要用天平測重物的質(zhì)量；先接通電源，待打點穩(wěn)定后再釋放紙帶，D錯誤。C在驗證機械能守恒時，左右兩邊式子的質(zhì)量m可以約去D先接通電源，待打點穩(wěn)定后再釋放紙帶2．現(xiàn)利用如圖所示裝置“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5.00×10-2s、2.00×10-2s。已知滑塊質(zhì)量為2.00kg，滑塊沿斜面方向的長度為5.00cm，光電門1和2之間的距離為0.54m，g取9.80m/s2，取滑塊經(jīng)過光電門時的速度為其平均速度。(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)12345(1)滑塊通過光電門1時的速度v1＝________m/s，通過光電門2時的速度v2＝________m/s。12345

1.002.50(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。12345

5.255.29(3)實驗可以得出的結(jié)論：___________________________________________。[解析]在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，滑塊的機械能守恒。在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，滑塊的機械能守恒3．某同學根據(jù)機械能守恒定律，設計實驗探究彈簧的彈性勢能與壓縮量的關(guān)系。(1)如圖甲，將輕質(zhì)彈簧下端固定于鐵架臺上，在上端的托盤中依次增加砝碼，測量相應的彈簧長度，部分數(shù)據(jù)如表所示。由數(shù)據(jù)算得勁度系數(shù)k＝________N/m。(g取9.80m/s2)12345砝碼質(zhì)量/g50100150彈簧長度/cm8.627.636.66

50(2)取下彈簧，將其一端固定于氣墊導軌左側(cè)，如圖乙所示；調(diào)整導軌使滑塊自由滑動時，通過兩個光電門的速度大小________。12345[解析]要調(diào)整氣墊導軌水平，使滑塊自由滑動時，通過兩個光電門的速度大小相等。相等(3)用滑塊壓縮彈簧，記錄彈簧的壓縮量x；釋放滑塊，記錄滑塊脫離彈簧后的速度v。釋放滑塊過程中，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為____________。12345[解析]根據(jù)機械能守恒定律，釋放滑塊后，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為滑塊的動能?；瑝K的動能(4)重復(3)中的操作，得到v與x的關(guān)系如圖丙，由圖可知，v與x成________關(guān)系。由上述實驗可得結(jié)論：對同一根彈簧，彈性勢能與彈簧的________________成正比。12345

正比壓縮量的平方4．用如圖甲所示實驗裝置驗證m1、m2組成的系統(tǒng)機械能守恒。m2從高處由靜止開始下落，m1上拖著的紙帶打出一系列的點，對紙帶上的點跡進行測量，即可驗證機械能守恒定律。圖乙給出的是實驗中獲得的一條紙帶：0是打下的第一個點，每相鄰兩計數(shù)點間還有4個點(圖中未標出)，計數(shù)點間的距離如圖所示。已知m1＝50g，m2＝150g，打點計時器所接交流電頻率f＝50Hz，則：(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)12345(1)從紙帶上打下計數(shù)點5時的速度v＝________m/s。12345

2.4(2)從打下第“0”點到打下第“5”點的過程中系統(tǒng)動能的增加量Δ

Ek＝________J，系統(tǒng)勢能的減少量Δ

Ep＝______J。(當?shù)氐闹亓铀俣萭取10m/s2)12345

0.580.60

12345

9.75．為了驗證小球在豎直平面內(nèi)擺動過程的機械能是否守恒，利用如圖甲裝置，不可伸長的輕繩一端系住一小球，另一端連接力傳感器，小球質(zhì)量為m，球心到懸掛點的距離為L，小球釋放的位置到最低點的高度差為h，實驗記錄輕繩拉力大小隨時間的變化如圖乙，其中Fm是實驗中測得的最大拉力值，重力加速度為g，請回答以下問題：12345(1)小球第一次運動至最低點的過程，重力勢能的減少量ΔEp＝____________，動能的增加量ΔEk＝____________。(均用題中所給字母表示)12345

mgh

(2)觀察圖乙中拉力峰值隨時間變化規(guī)律，試分析造成這一結(jié)果的主要原因：________________