2022-2023學(xué)年高一物理同步講義（人教 ）8.5實驗：驗證機械能守恒定律（學(xué)生版）

第八章機械能守恒定律第5課實驗：驗證機械能守恒定律目標(biāo)導(dǎo)航目標(biāo)導(dǎo)航課程標(biāo)準(zhǔn)核心素養(yǎng)1.明確驗證機械能守恒定律的基本思路并能進行相關(guān)量的測量.2.能正確進行實驗操作，分析實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論，能定性地分析產(chǎn)生誤差的原因．1、科學(xué)思維：尋找機械能守恒的案例并設(shè)計實驗思路。2、科學(xué)探究：根據(jù)實驗設(shè)計開展實驗、記錄實驗并處理數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)論。3、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：實驗過程中團結(jié)、協(xié)作、建立實事求是的科學(xué)精神。知識精講知識精講知識點01實驗思路機械能守恒的前提是“只有做功”，因此研究過程一定要滿足這一條件．本節(jié)實驗我們以只有重力做功的過程進行研究．知識點02物理量的測量及數(shù)據(jù)分析只有重力做功時，只發(fā)生重力勢能和動能的轉(zhuǎn)化．(1)要驗證的表達式：eq\f(1,2)mv22＋mgh2＝eq\f(1,2)mv12＋mgh1或eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12＝.(2)所需測量的物理量：物體所處兩位置之間的、物體的．知識點03參考案例案例1研究自由下落物體的機械能1．實驗器材鐵架臺(帶鐵夾)、、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫紙(或墨粉紙盤)、導(dǎo)線、、．2．實驗步驟(1)安裝裝置：按圖甲所示把打點計時器安裝在鐵架臺上，用導(dǎo)線把打點計時器與電源連接好．(2)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(fù)幾次，得到3～5條打好點的紙帶．(3)選紙帶并測量：選擇一條點跡清晰的紙帶，確定要研究的開始和結(jié)束的位置，測量并計算出兩位置之間的距離Δh及在兩位置時紙帶的速度，代入表達式進行驗證．3．?dāng)?shù)據(jù)處理(1)計算各點對應(yīng)的瞬時速度：如圖乙所示，根據(jù)公式vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)，計算出某一點的瞬時速度vn.(2)驗證方法方法一：利用起始點和第n點．選擇開始的兩點間距接近2mm的一條紙帶，打的第一個點為起始點，如果在實驗誤差允許范圍內(nèi)mghn＝eq\f(1,2)mvn2，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(nèi)mghAB＝eq\f(1,2)mvB2－eq\f(1,2)mvA2，則機械能守恒定律得到驗證．方法三：圖像法(如圖所示)．若在實驗誤差允許范圍內(nèi)圖線是一條過原點且斜率為g的直線，則機械能守恒定律得到驗證．4．誤差分析本實驗的誤差主要是測量紙帶產(chǎn)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．5．注意事項(1)安裝打點計時器時，要使兩限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力．(2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物．(3)實驗時，應(yīng)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)本實驗中的幾種驗證方法均不需要測重物的質(zhì)量m.(5)速度不能用v＝gt或v＝eq\r(2gh)計算，應(yīng)根據(jù)紙帶上測得的數(shù)據(jù)，利用vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)計算瞬時速度．案例2研究沿斜面下滑物體的機械能1．實驗器材如圖所示，氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字計時器、帶有遮光條的滑塊．2．實驗步驟把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài)，滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時，忽略空氣阻力，重力勢能減小，動能增大．測量兩光電門之間高度差Δh和滑塊通過兩個光電門時的速度v1、v2，代入表達式驗證．3．物理量的測量及數(shù)據(jù)處理(1)測量兩光電門之間的高度差Δh；(2)根據(jù)滑塊經(jīng)過兩光電門時遮光條的遮光時間Δt1和Δt2，計算滑塊經(jīng)過兩光電門時的瞬時速度．若遮光條的寬度為ΔL，則滑塊經(jīng)過兩光電門時的速度分別為v1＝eq\f(ΔL,Δt1)，v2＝eq\f(ΔL,Δt2)；(3)若在實驗誤差允許范圍內(nèi)滿足mgΔh＝eq\f(1,2)mv22－eq\f(1,2)mv12，則驗證了機械能守恒定律．4．誤差分析兩光電門之間的距離稍大一些，可以減小誤差；遮光條的寬度越小，誤差越?。芰ν卣鼓芰ν卣箍挤?1實驗原理與操作【典例1】利用如圖所示的裝置做“驗證機械能守恒定律”的實驗。（1）本實驗操作正確的是()A．選擇大小合適的鐵質(zhì)重錘

B．選擇體積較大的木質(zhì)重錘C．打點時，應(yīng)讓重錘靠近打點計時器，先釋放紙帶，再打開電源D．選紙帶時，應(yīng)選點跡清晰且第一二兩點間距離接近2mm的紙帶（2）除打點計時器（含紙帶、復(fù)寫紙）、重錘、交流電源、鐵架臺、導(dǎo)線及開關(guān)外，在下面的器材中，必須使用的還有___________。（選填器材前的字母）A．刻度尺

B．天平

C．秒表考法02實驗數(shù)據(jù)處理與誤差分析【典例2】如圖甲所示為小明“驗證機械能守恒定律”實驗裝置圖。（1）實驗中，為減少空氣阻力對實驗的影響，下列操作可行的是___________A．選用質(zhì)量大、體積小的重物

B．打點計時器兩限位孔在同一豎直線上C．釋放前手應(yīng)提紙帶上端并使紙帶豎直

D．重物下落過程中手始終提住紙帶的上端（2）小明選擇一條較為滿意的紙帶，如圖乙所示。小明以O(shè)為計時起點，從A點開始選取紙帶上連續(xù)點A、B、C…，測出O到A、B、C…的距離分別為h1、h2、h3…重物的質(zhì)量為m。小明選擇A、C兩點，計算出打下B點時速度vB后，通過比較重力勢能減少量Ep=mgh2和動能增加量是否相等來驗證機械能守恒。你認為小明的數(shù)據(jù)處理是___________（選填“正確”或“錯誤”）的，理由是___________?？挤?3實驗拓展創(chuàng)新【典例3】某實驗小組的同學(xué)利用如圖甲所示的實驗裝置完成了機械能守恒定律的驗證，小球的釋放點、光電門1、光電門2在同一條豎直線上，實驗時首先用游標(biāo)卡尺測量小球的直徑，結(jié)果如圖乙所示，保持光電門1到小球釋放點的距離不變，改變光電門2到光電門1的距離h，并記錄小球通過光電門2的擋光時間t，記錄多組實驗數(shù)據(jù)?；卮鹣铝袉栴}：（1）由圖乙可知小球的直徑為d=___________；（2）小球經(jīng)過光電門2時的速度可以用表示，用該方法計算的速度___________（填“大于”“等于”或“小于”）小球球心經(jīng)過光電門的實際速度；（3）根據(jù)測量的數(shù)據(jù)描繪出如圖丙所示的圖像，結(jié)合圖丙，若有表達式g=___________成立，則小球下落過程中機械能守恒；小球經(jīng)過光電門1時的速度大小為___________。（均用a、b、d表示）分層提分分層提分題組A基礎(chǔ)過關(guān)練1．在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，回答下列問題∶（1）用打點計時器打出一條紙帶，前后要連續(xù)進行一系列的操作，下列各步驟的合理順序是_____。A．釋放紙帶

B．接通電源

C．取下紙帶

D．切斷電源（2）如圖所示，某同學(xué)用正確的方法獲得了一條紙帶，并以起點為計數(shù)點O，后隔一段距離，取連續(xù)點為計數(shù)點A、B、C、D、E、F，如圖所示。已知重物的質(zhì)量為0.5kg，則電磁打點計時器打下E點時，重物減少的重力勢能ΔEp=____J，重物增加的動能ΔEk=_____J。（g取9.8m/s2，計算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）2.某同學(xué)用如圖甲所示的裝置驗證機械能守恒定律。當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮椋螯c計時器所接交流電的頻率為。（1）該同學(xué)的實驗操作如下：A．按照圖甲的裝置安裝器件；B．將打點計時器接到電源的“交流輸出”上；C．用天平測出重錘的質(zhì)量；D．先釋放懸掛紙帶的夾子，讓重錘帶著紙帶自由下落，后接通電源；E．用刻度尺測量紙帶上某些點間的距離；F．根據(jù)測量的結(jié)果，計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能。其中沒有必要進行的或者操作不當(dāng)?shù)牟襟E是________。（2）進行正確操作后，得到一條紙帶如圖乙所示，其中0是起始點，1、2、3、…，為連續(xù)的個點，測得0點到點、點、點的距離并標(biāo)在紙帶上。若重錘的質(zhì)量為，則從打點計時器打下0點到打下點，重錘重力勢能的減少量________，其動能的增加量________。（均用相關(guān)物理量的符號表示）3．某同學(xué)驗證機械能守恒定律，他已安裝好部分實驗器材，如圖1所示。（1）實驗中還必須選取的如圖2器材中的_____（多選）。（2）實驗時打點計時器應(yīng)接_____（選填“直流”或“交流”）電源。重物自由下落，在紙帶上打出一系列的點，如圖3所示，若紙帶相鄰兩個點之間時間間隔為0.02s，則B點的速度為_____m/s（結(jié)果保留三位有效數(shù)字）。從起點O到B的過程中，重物的重力勢能減少量為0.343J，重物動能的增加量為0.325J，由計算數(shù)據(jù)得到重物下落過程中減少的重力勢能略大于增加的動能，造成的原因可能是_____。4.某同學(xué)用如圖1所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。實驗操作步驟如下：①用天平測出小車的質(zhì)量M、砂桶（含砂）的質(zhì)量m；②按圖1連接好實驗裝置，并使彈簧測力計豎直，小車緊靠打點計時器；③接通電源，釋放小車，打出紙帶；④取下砂桶和紙帶；⑤重復(fù)以上實驗多次。根據(jù)上述實驗操作過程，回答下列問題：（1）下列關(guān)于該實驗的說法正確的是______。A．本實驗的研究對象是小車B．實驗中不需要記錄彈簧測力計的示數(shù)FC．實驗中必須保證m遠小于MD．將木板左端墊高，補償系統(tǒng)受到的摩擦阻力后，系統(tǒng)的機械能就守恒了（2）當(dāng)M＝0.5kg、m＝0.2kg時得到了圖2所示的一條紙帶，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(biāo)出），所用電源的頻率為50Hz，重力加速度g取。系統(tǒng)在打點0~5的過程中，打點5時小車的速度大小v＝______m/s，系統(tǒng)動能的增加量______J，系統(tǒng)重力勢能的減少量______J。（均保留三位有效數(shù)字）（3）由以上數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)動能的增加量______（填“大于”、“等于”或“小于”）系統(tǒng)重力勢能的減少量，造成這種結(jié)果的主要原因是________；（4）提出一項實驗改進方法，以便減小系統(tǒng)誤差。_________。題組B能力提升練5.小李同學(xué)利用圖甲所示的裝置進行“驗證機械能守恒定律”的實驗，打出如圖乙所示的紙帶，已知打點計時器頻率為50Hz。①關(guān)于該實驗，下列說法正確的是________。A．電火花打點計時器使用6V以下交流電源B．紙帶必須盡量保持豎直方向以減小摩擦阻力作用C．為了驗證機械能守恒，必須選擇紙帶上打出的第一個點作為起點D．可以選擇較輕的物體作為重物以延長下落的時間，實驗效果更好②該同學(xué)用兩個質(zhì)量分別為m1、m2的重物P和Q分別進行實驗，多次記錄下落高度h和相應(yīng)的速度大小v，作出的v2-h圖像如圖丙所示。下列分析正確的是____。（多選）A．阻力可能為零

B．阻力不可能為零

C．m1一定大于m2D．m1可能等于m26.某同學(xué)設(shè)計如圖甲所示的實驗裝置來“驗證機械能守恒定律”，讓小鐵球從A點自由下落，下落過程中經(jīng)過A點正下方的光電門B時，光電計時器記錄下小鐵球通過光電門的時間t，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間。為了驗證機械能守恒定律，該實驗準(zhǔn)備了如下器材∶鐵架臺、夾子、小鐵球（直徑為d）、光電門、光電計時器、毫米刻度尺。（1）調(diào)整A、B之間距離h，記錄下小鐵球通過光電門B的時間t，多次重復(fù)上述過程，作出隨h的變化圖像如圖乙所示。若小球下落過程中機械能守恒，則該直線斜率k0=______。（2）在實驗中根據(jù)數(shù)據(jù)實際繪出圖像的直線斜率為k（k<k0），則實驗過程中小球所受的平均阻力F阻與小球重力mg的比值=______（用k、k0表示）。7．某實驗小組設(shè)計了一個用拉力傳感器驗證機械能守恒定律的實驗，如圖所示，已知拉力傳感器只能顯示拉力的豎直分量大小。重力加速度為g。（1）現(xiàn)有以下材質(zhì)的小球：①乒乓球；②橡膠球；③小鋼球。實驗中應(yīng)選用__________（填序號）；（2）拉起質(zhì)量為m的小球至某一位置由靜止釋放，使小球在豎直平面內(nèi)擺動，記錄小球擺動過程中拉力傳感器示數(shù)的最大值Tmax和最小值Tmin。改變小球的初始釋放位置，重復(fù)上述過程。為了得到一條直線，應(yīng)該根據(jù)測量數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)系中繪制__________（選填“”、“”、“”）關(guān)系圖像；若小球擺動過程中機械能守恒，該直線斜率的理論值為__________；（3）該實驗系統(tǒng)誤差的主要來源是__________（單選，填正確答案標(biāo)號）。A．小球擺動角度偏大B．小球初始釋放位置不同C．小球擺動過程中有空氣阻力8.某同學(xué)用光電門驗證機械能守恒定律。如圖所示，將某種鐵質(zhì)橫桿固定在鐵架臺上方，在橫桿一側(cè)放置一磁鐵，在橫桿正下方將光電門固定在鐵架臺上，將質(zhì)量為m的小鐵球吸至橫桿下方，多次釋放并調(diào)整小鐵球釋放位置和光電門位置，使小鐵球球心恰好與光電門中心在同一豎直線上，標(biāo)記小鐵球釋放點，用直尺測量出橫桿下邊緣到光電門中心間的距離L，取重力加速度。拿開磁鐵后，鐵質(zhì)橫桿的磁性立即消失。（1）用游標(biāo)卡尺測出小鐵球直徑為D。（2）取作為小鐵球經(jīng)過光電門中心時的速度，則小鐵球從開始下落至小鐵球中心通過光電門的過程中，重力勢能減少量___________，動能的增加量___________（均用已知或測量出的物理量的符號表示）題組C培優(yōu)拔尖練9．某同學(xué)設(shè)計如圖甲所示的實驗裝置來“