2017_2018學(xué)年高中物理第四章機(jī)械能和能源第五節(jié)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律教學(xué)案粵教版.docx

第五節(jié) 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?會(huì)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)的速度。2掌握利用自由落體運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的原理和方法。二、實(shí)驗(yàn)原理讓物體自由下落，忽略阻力情況下物體的機(jī)械能守恒，有兩種方案驗(yàn)證物體的機(jī)械能守恒：1以物體下落的起始點(diǎn)O為基準(zhǔn)，測(cè)出物體下落高度h時(shí)的速度大小v，若mv2mgh成立，則可驗(yàn)證物體的機(jī)械能守恒。2測(cè)出物體下落高度h過(guò)程的初、末時(shí)刻的速度v1、v2，若關(guān)系式mv22mv12mgh成立，則物體的機(jī)械能守恒。三、實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、重錘(帶紙帶夾子)、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙、導(dǎo)線(xiàn)、毫米刻度尺、低壓交流電源。四、實(shí)驗(yàn)步驟1安裝置：按圖451將檢查、調(diào)整好的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上，接好電路。圖4512打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方。先接通電源，后松開(kāi)紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落。更換紙帶重復(fù)做3次5次實(shí)驗(yàn)。3選紙帶：選取點(diǎn)跡較為清晰且有兩點(diǎn)間的距離約為2 mm的紙帶，把紙帶上打出的兩點(diǎn)間的距離為2 mm的第一個(gè)點(diǎn)作為起始點(diǎn)，記作O，在距離O點(diǎn)較遠(yuǎn)處再依次選出計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、34測(cè)距離：用刻度尺測(cè)出O點(diǎn)到1、2、3的距離，即為對(duì)應(yīng)下落的高度h1、h2、h3五、數(shù)據(jù)處理1計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度：記下第1個(gè)點(diǎn)的位置O，在紙帶上從離O點(diǎn)適當(dāng)距離開(kāi)始選取幾個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3并測(cè)量出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離h1、h2、h3再根據(jù)公式vn，計(jì)算出1、2、3、4、n點(diǎn)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3、v4、vn。2機(jī)械能守恒驗(yàn)證方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)。從起始點(diǎn)到第n個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為mghn，動(dòng)能增加量為mvn2，計(jì)算ghn和vn2，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)ghnvn2，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。方法二：任取兩點(diǎn)A、B。從A點(diǎn)到B點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為mghAmghB，動(dòng)能增加量為mvB2mvA2，計(jì)算ghAB和vB2vA2，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)ghABvB2vA2，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。方法三：圖像法。圖452計(jì)算各計(jì)數(shù)點(diǎn)v2，以v2為縱軸，以各計(jì)數(shù)點(diǎn)到第一個(gè)點(diǎn)的距離h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出v2h圖線(xiàn)，如圖452所示。若在誤差許可的范圍內(nèi)圖像是一條過(guò)原點(diǎn)且斜率為g的直線(xiàn)，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。六、誤差分析1在進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，測(cè)量及讀數(shù)不準(zhǔn)造成偶然誤差。2系統(tǒng)誤差的主要來(lái)源是重物下落要克服阻力做功，部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，下落高度越大，機(jī)械能損失越多，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了各計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)械能依次略有減小的現(xiàn)象。3由于交流電的周期不穩(wěn)定，造成打點(diǎn)時(shí)間間隔變化而產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。七、注意事項(xiàng)1應(yīng)盡可能控制實(shí)驗(yàn)，滿(mǎn)足機(jī)械能守恒的條件，這就要求盡量減小各種阻力的影響，采取的措施有：(1)安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，必須使兩個(gè)限位孔的中線(xiàn)嚴(yán)格豎直，以減小摩擦阻力。(2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對(duì)減小，增大密度可以減小體積，使空氣阻力減小。2實(shí)驗(yàn)中，提紙帶的手要保持不動(dòng)，且保證紙帶豎直。接通電源后，等打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定再松開(kāi)紙帶。3紙帶的選取(1)以第一個(gè)點(diǎn)為起點(diǎn)時(shí)，要驗(yàn)證的是mvn2mghn，必須保證紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)為重物靜止釋放時(shí)打的點(diǎn)，所以前兩個(gè)點(diǎn)的間距為hgt210(0.02)2 m2 mm。(2)以下落中某點(diǎn)為起點(diǎn)時(shí)，要驗(yàn)證的是mvm2mvn2mghmn，這時(shí)選擇紙帶不需要滿(mǎn)足兩點(diǎn)間距為2 mm。4計(jì)算速度時(shí)不能用vgt或v，否則就犯了用機(jī)械能守恒定律去驗(yàn)證機(jī)械能守恒的錯(cuò)誤。5測(cè)量下落高度時(shí)，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，后邊的點(diǎn)應(yīng)距起點(diǎn)O較遠(yuǎn)，在測(cè)量各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離時(shí)，應(yīng)當(dāng)用刻度尺從O點(diǎn)量起，一次性讀出各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離。例1在做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)重物減少的重力勢(shì)能總是略大于重物增加的動(dòng)能，造成這種現(xiàn)象的原因是()A選用的重物質(zhì)量過(guò)大B選用的重物質(zhì)量過(guò)小C空氣對(duì)重物的阻力和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)紙帶的阻力D實(shí)驗(yàn)時(shí)操作不規(guī)范，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確解析造成題中所述誤差的主要原因是來(lái)自于各方面的阻力，選項(xiàng)C正確。答案C例2(全國(guó)乙卷)某同學(xué)用圖453(a)所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，其中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源為交流電源，可以使用的頻率有20 Hz、30 Hz和40 Hz。打出紙帶的一部分如圖(b)所示。圖453該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有記錄交流電的頻率f，需要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他題給條件進(jìn)行推算。(1)若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落，利用f和圖(b)中給出的物理量可以寫(xiě)出：在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出B點(diǎn)時(shí)，重物下落的速度大小為_(kāi)，打出C點(diǎn)時(shí)重物下落的速度大小為_(kāi)，重物下落的加速度大小為_(kāi)。(2)已測(cè)得s18.89 cm，s29.50 cm，s310.10 cm；當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮?.80 m/s2，實(shí)驗(yàn)中重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%。由此推算出f為_(kāi) Hz。解析(1)重物勻加速下落時(shí)，根據(jù)勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律得vBf(s1s2)vCf(s2s3)由s3s12aT2得a。(2)根據(jù)牛頓第二定律，有mgkmgma根據(jù)以上各式，化簡(jiǎn)得f代入數(shù)據(jù)可得f40 Hz。答案(1)f(s1s2)f(s2s3)f2(s3s1)(2)40例3某次“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，用6 V、50 Hz的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的一條無(wú)漏點(diǎn)的紙帶，如圖454所示，O點(diǎn)為重錘下落的起點(diǎn)，選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)為A、B、C、D，各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的長(zhǎng)度已在圖上標(biāo)出，單位為毫米，重力加速度取9.8 m/s2，若重錘質(zhì)量為1 kg。(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出B點(diǎn)時(shí)，重錘下落的速度vB_ m/s，重錘的動(dòng)能EkB_ J。圖454(2)從開(kāi)始下落算起，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)，重錘的重力勢(shì)能減小量為_(kāi) J。(3)根據(jù)紙帶提供的數(shù)據(jù)，在誤差允許的范圍內(nèi)，重錘從靜止開(kāi)始到打出B點(diǎn)的過(guò)程中，得到的結(jié)論是_。解析(1)重錘下落的速度vB m/s1.17 m/s重錘在打出B點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能EkmvB211.172 J0.68 J。(2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)，重錘的重力勢(shì)能減小量Ep減mghOB19.870.5103 J0.69 J。(3)由(1)、(2)計(jì)算結(jié)果可知，重錘下落過(guò)程中，在實(shí)驗(yàn)允許的誤差范圍內(nèi)，動(dòng)能的增加量等于其重力勢(shì)能的減少量，機(jī)械能守恒。答案(1)1.170.68(2)0.69(3)機(jī)械能守恒1在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，下列物理量中需要直接測(cè)量的是()A重物的質(zhì)量B重力加速度C重物下落的高度D重物下落某一高度所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度解析：選C重物的質(zhì)量不需要測(cè)量；重力加速度是已知的；重物下落的高度需要測(cè)量；瞬時(shí)速度是根據(jù)紙帶上的數(shù)據(jù)計(jì)算得出的。故應(yīng)選C。2用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中得到如圖455所示紙帶。圖455根據(jù)紙帶算出相關(guān)各點(diǎn)的速度v，測(cè)量出下落距離h，則以為縱軸，以h為橫軸畫(huà)出的圖像應(yīng)是()解析：選C由機(jī)械能守恒定律得：mghmv2，得：gh，可以看出與h成正比例關(guān)系，圖線(xiàn)是過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，C正確。數(shù)據(jù)處理可以用不同的方法，得到相同的結(jié)論。3(多選)為驗(yàn)證在自由落體過(guò)程中物體的機(jī)械能是守恒的，某同學(xué)利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖456所示，圖中A、B兩點(diǎn)分別固定了兩個(gè)速度傳感器，速度傳感器可以測(cè)出運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)速度。在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得一物體自由下落經(jīng)過(guò)A點(diǎn)時(shí)的速度是v1，經(jīng)過(guò)B點(diǎn)時(shí)的速度是v2，為了證明物體經(jīng)過(guò)A、B兩點(diǎn)時(shí)的機(jī)械能相等，這位同學(xué)又設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)步驟，你認(rèn)為其中不必要或者錯(cuò)誤的是()圖456A用天平測(cè)出物體的質(zhì)量B測(cè)出A、B兩點(diǎn)間的豎直距離C利用mv22mv12算出物體從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的過(guò)程中動(dòng)能的變化量D驗(yàn)證v22v12與2gh是否相等解析：選AC物體重力勢(shì)能減少量為mgh，動(dòng)能增加量為mv22mv12，計(jì)算gh和v22v12，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)ghv22v12，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。綜上應(yīng)選A、C。4在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，已知電火花計(jì)時(shí)器所用的電源頻率為50 Hz，查得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹?.8 m/s2，測(cè)得所用的重物的質(zhì)量為1.00 kg。實(shí)驗(yàn)中得到一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，把第一個(gè)點(diǎn)記作O，另選連續(xù)的4個(gè)點(diǎn)A、B、C、D作為測(cè)量的點(diǎn)。經(jīng)測(cè)量知道A、B、C、D到O點(diǎn)的距離分別為62.99 cm、70.18 cm、77.76 cm、85.73 cm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可知重物由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)，重力勢(shì)能的減少量等于_ J，動(dòng)能增加量等于_ J(取3位有效數(shù)字)。解析：C點(diǎn)到O點(diǎn)的距離hC77.76 cm，由此可知重力勢(shì)能的減少量為mghC1.009.8077.76102J7.62 J。不能錯(cuò)誤認(rèn)為動(dòng)能增加量也為7.62 J。C點(diǎn)的速度vC代入數(shù)值可以解得vC3.89 m/s。所以重物動(dòng)能的增量為mv27.57 J。在誤差允許的范圍內(nèi)重力勢(shì)能的減少量等于動(dòng)能的增加量。答案：7.627.575.利用圖457裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)。圖457(1)為驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，需要比較重物下落過(guò)程中任意兩點(diǎn)間的_。A動(dòng)能變化量與勢(shì)能變化量B速度變化量和勢(shì)能變化量C速度變化量和高度變化量(2)除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(tái)(含鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、導(dǎo)線(xiàn)及開(kāi)關(guān)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)(3)實(shí)驗(yàn)中，先接通電源，再釋放重物，得到圖458所示的一條紙帶。在紙帶上選取三個(gè)連續(xù)打出的點(diǎn)A、B、C，測(cè)得它們到起始點(diǎn)O的距離分別為hA、hB、hC。已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期為T(mén)。設(shè)重物的質(zhì)量為m。從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過(guò)程中，重物的重力勢(shì)能變化量Ep_，動(dòng)能變化量Ek_。圖458(4)大多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量，原因是_。A利用公式vgt計(jì)算重物速度B利用公式v 計(jì)算重物速度C存在空氣阻力和摩擦阻力的影響D沒(méi)有采用多次實(shí)驗(yàn)取平均值的方法(5)某同學(xué)想用下述方法研究機(jī)械能是否守恒：在紙帶上選取多個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，測(cè)量它們到起始點(diǎn)O的距離h，計(jì)算對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)的重物速度v，描繪v2h圖像，并做如下判斷：若圖像是一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，則重物下落過(guò)程中機(jī)械能守恒。請(qǐng)你分析論證該同學(xué)的判斷依據(jù)是否正確。解析：(1)在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)中，重物下落，重力勢(shì)能減少，動(dòng)能增加，要驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，需比較重物下落過(guò)程中任意兩點(diǎn)間的動(dòng)能變化量與勢(shì)能變化量大小是否相等，故選A。(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)用到電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，則必須使用交流電源。在計(jì)算動(dòng)能和勢(shì)能變化量時(shí)，需用刻度尺測(cè)量位移和重物下落高度。在比較動(dòng)能變化量和勢(shì)能變化量是否相等時(shí)需驗(yàn)證m(v22v12)mgh是否成立，而等式兩邊可約去質(zhì)量m，故不需要天平。故選A、B。(3)從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過(guò)程中，重物下落hB，重力勢(shì)能減少，則重物的重力勢(shì)能變化量EpmghB。動(dòng)能增加，則動(dòng)能的變化量EkmvB20m20m2。(4)重物在下落過(guò)程中，除受重力外還存在空氣阻力和摩擦阻力的影響，重物的重力勢(shì)能要轉(zhuǎn)化為重物的動(dòng)能和內(nèi)能，則重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量，選項(xiàng)C正確。(5)不正確。v2h圖像為一條直線(xiàn)，僅表明物體所受合力恒定，與機(jī)械能是否守恒無(wú)關(guān)。例如，在本實(shí)驗(yàn)中若存在恒定阻力，則物體的機(jī)械能不守恒，但mghfhmv2，v22h，v2h為一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，故該同學(xué)判斷不正確。要想通過(guò)v2h圖像的方法驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，還必須看圖像的斜率是否接近2g。答案：(1)A(2)AB(3)mghBm2(4)C(5)該同學(xué)的判斷依據(jù)不正確。在重物下落h的過(guò)程中，若阻力f恒定，根據(jù)動(dòng)能定理得，mghfhmv20v22h可知，v2h圖像就是過(guò)原點(diǎn)的一條直線(xiàn)。要想通過(guò)v2h圖像的方法驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，還必須看圖像的斜率是否接近2g。6某同學(xué)利用豎直上拋小球的頻閃照片驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，頻閃儀每隔0.05 s閃光一次，如圖459所標(biāo)數(shù)據(jù)為實(shí)際距離，該同學(xué)通過(guò)計(jì)算得到不同時(shí)刻的速度如下表。(當(dāng)?shù)刂亓铀俣热?.8 m/s2，小球質(zhì)量m0.2 kg，結(jié)果保留3位有效數(shù)字)圖459時(shí)刻t2t3t4t5速度(m/s)4.994.483.98(1)由頻閃照片上的數(shù)據(jù)計(jì)算t5時(shí)刻小球的速度v5_m/s；(2)從t2到t5時(shí)間內(nèi)，重力勢(shì)能增量Ep_ J，動(dòng)能減少量Ek_J；(3)在誤差允許的范圍內(nèi)，若Ep與Ek近似相等，即可驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。由上述計(jì)算得Ep_Ek(選填“”“”或“”)，造成這種結(jié)果的主要原因是_。解析：(1)v5102 m/s3.48 m/s；(2)重力勢(shì)能的增量Epmgh，代入數(shù)據(jù)可得Ep1.24 J，動(dòng)能減少量為Ekmv22mv52，代入數(shù)據(jù)可得Ek1.28 J；(3)由計(jì)算可得EpEk，主要是由于存在空氣阻力。答案：(1)3.48(2)1.241.28(3)存在空氣阻力7利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖4510所示。圖4510(1)實(shí)驗(yàn)步驟：將氣墊導(dǎo)軌放在水平面上，桌面高度不低于1 m，將導(dǎo)軌調(diào)至水平；用游標(biāo)卡尺測(cè)量擋光條的寬度為l9.30 mm；由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門(mén)中心之間的距離s_ cm；將滑塊移至光電門(mén)1左側(cè)某處，待砝碼靜止不動(dòng)時(shí)，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過(guò)光電門(mén)2；從數(shù)字計(jì)時(shí)器(圖中未畫(huà)出)上分別讀出擋光條通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)2所用的時(shí)間t1和t2；用天平稱(chēng)出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，再稱(chēng)出托盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量m。(2)用表示直接測(cè)量的字母寫(xiě)出下列所示物理量的表達(dá)式：滑塊通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)2時(shí)瞬時(shí)速度分別為v1_和v2_。當(dāng)滑塊通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)2時(shí)，系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤(pán)