高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律导学案，共10页。学案主要包含了实验原理，实验器材，实验步骤，数据处理，误差分析，注意事项等内容，欢迎下载使用。


1．会用打点计时器打下的纸带计算物体的运动速度和位移．
2．探究自由落体运动物体的机械能守恒．
知识点一、实验原理
让物体自由下落，在忽略阻力的情况下，探究物体的机械能守恒，有两种方案探究物体的机械能守恒：
1．以物体下落的起始点O为基准，测出物体下落高度h时的速度大小v，若eq \f(1,2)mv2＝mgh成立，则可验证物体的机械能守恒．
2．测出物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2，若关系式eq \f(1,2)mveq \\al(2,2)－eq \f(1,2)mveq \\al(2,1)＝mgh成立，则物体的机械能守恒．
知识点二、实验器材
铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、低压交流电源(4～6 V)、重物、毫米刻度尺、纸带(带夹子)、复写纸片、导线.
知识点三、实验步骤
1．安装置：按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路．
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3～5次实验．
3．选纸带：选取点迹较为清晰且有1、2两点间的距离约为2 mm的纸带，把纸带上打出的两点间的距离为2 mm的第一个点作为起始点，记作O，在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、3…
4．测距离：用刻度尺测出O点到1、2、3…的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3…
知识点四、数据处理
1．计算各点对应的瞬时速度：记下第1个点的位置O，在纸带上从离O点适当距离开始选取几个计数点1、2、3…n并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3…hn再根据公式vn＝eq \f(hn＋1－hn－1,2T)，计算出1、2、3、4、…n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4…vn.
2．机械能守恒验证：
方法一：利用起始点和第n点．
从起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn，动能增加量为eq \f(1,2)mveq \\al(2,n)，计算ghn和eq \f(1,2)veq \\al(2,n)，如果在实验误差允许的范围内ghn＝eq \f(1,2)veq \\al(2,n)，则机械能守恒定律得到验证．
方法二：任取两点A、B.
从A点到B点，重力势能减少量为mghA－mghB，动能增加量为eq \f(1,2)mveq \\al(2,B)－eq \f(1,2)mveq \\al(2,A)，计算ghAB和eq \f(1,2)veq \\al(2,B)－eq \f(1,2)veq \\al(2,A)，如果在实验误差允许的范围内ghAB＝eq \f(1,2)veq \\al(2,B)－eq \f(1,2)veq \\al(2,A)，则机械能守恒定律得到验证．
方法三：图象法．
计算各计数点eq \f(1,2)v2，以eq \f(1,2)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eq \f(1,2)v2­h图线．若在误差许可的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律．
知识点五、误差分析
1．在进行长度测量时，测量及读数不准造成误差．
2．重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内能，下落高度越大，机械能损失越多，所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象．
3．由于交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而产生误差．
知识点六、注意事项
1．应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件，这就要求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，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，使空气阻力减小．
2．纸带选取：
(1)以第一个点为起点时，要验证的是eq \f(1,2)mveq \\al(2,n)＝mghn，必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距为h＝eq \f(1,2)gt2＝eq \f(1,2)×10×(0.02)2m＝2 mm.
(2)以下落中某点为起点时，要验证的是eq \f(1,2)mveq \\al(2,m)－eq \f(1,2)mveq \\al(2,n)＝mghmn，这时选择纸带不需要满足两点间距为2 mm.
3．计算速度时不能用v＝gt或v＝eq \r(2gh)，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误．
1．如图所示，在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用的交流电的频率为50Hz，查得当地的重力加速度g=10m/s2，测得所用的重物的质量为1.00kg，实验中得到一条点迹清晰的纸带如图所示。把第一个点记做O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点。经测得知道A、B、C、D各点到O点的距离为62.99cm、70.14cm、77.76cm、85.37cm。根据以上数据可知重物由O点运动到C点，重力势能的减少量等于___________J；C点的速度为_______m/s；（计算结果保留三位有效数字）；但实验中总存在重力势能的减少量_______动能的增加量（填小于、等于、大于），则上述三个空的答案是（ ）
A．7.78 381 等于
B．7.78 3.81 大于
C．778 3.81 大于
D．7.78 3.81 等于
【答案】B
【详解】
ABCD．重物下落过程中，重力势能的减小量等于重力做的功
匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段位移的平均速度，有
重物下落过程中需要克服空气阻力做功，由能量守恒可得重力势能的减少量大于动能的增加量，ACD错误，B正确。
故选B。
2．用如图所示的装置验证机械能守恒定律，轻绳两端系着质量均为M的物块A、B，B上放一质量为m的金属片C，在B的正下方铁架台上固定一金属圆环。开始时金属片C与圆环间的高度为h，由静止释放B，运动一段时间后金属片C被搁置在圆环上（C与轻绳间无接触），测得B通过两数字计时器的时间间隔为t，已知两数字计时器的竖直间距为d。改变h重复实验得到多组数据，为了直观反映数据关系，应绘制（ ）
A．t-h图象B．图象C．图象D．图象
【答案】B
【详解】
在金属片搁置之前，系统做匀加速直线运动，搁置后，系统做匀速直线运动，则有
为了直观反映数据关系，应绘制图象。
故选B。
1．某位同学做利用自由落体运动“验证机械能守恒定律”的实验，下列操作步骤中错误的是（ ）
A．把打点计时器固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源
B．将连有重锤的纸带穿过限位孔，将纸带和重锤提升到一定高度
C．先释放纸带，再接通电源
D．更换纸带，重复实验，根据记录处理数据
【答案】C
【详解】
A．打点计时器使用低压交流电源，所以实验时把打点计时器固定在铁架台上，用导线连接低压交流电源，A正确；
B．固定好打点计时器，将连有重物的纸带穿过限位孔，用手提住，将纸带和重锤提升到一定高度，尽量靠近打点计时器，B正确；
C．应先接通电源，然后释放重物，否则纸带开始阶段是空白，可能所采集的数据不够，而且浪费纸带，C错误；
D．重复几次，取得几条打点纸带，挑选一条清楚的纸带进行数据处理，D正确。
故选C。
2．下列有关高中物理力学实验的描述中，正确的是（ ）
A．在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中打点计时器应使用低压直流电源
B．在“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验中体现了等效替代思想的运用
C．在“探究平抛运动的特点”的实验中，坐标纸上必须标出小球刚开始做平抛运动的起始点
D．在“验证机械能守恒定律”的实验中，必须用天平测出物体的质量
【答案】B
【详解】
A．在“探究小车速度随时间变化的规律”的实验中，打点计时器应使用低压交流电源，A错误；
B．在“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验中，体现了等效替代思想的运用，B正确；
C．在“探究平抛运动的特点”的实验中，描绘平抛运动轨迹，不一定非得标出平抛运动的起始点，C错误；
D．在“验证机械能守恒定律”的实验中根据
质量可以约掉，可以不测量物体的质量，D错误。
故选B。
3．图示为某同学做验证机械能守恒定律实验的装置。实验结果显示，重锤重力势能的减少量总略大于动能的增加量，其主要原因是( )
A．重锤的密度过大
B．电源的电压不稳定
C．没有采用多次实验取平均值
D．存在空气阻力和纸带与限位孔之间的摩擦阻力
【答案】D
【详解】
AD．重锤下落过程中，重锤的重力势能减小，一部分转化为重锤的动能，一部分克服阻力做功，所以重锤重力势能的减少量总略大于动能的增加量，而增大重锤密度，可以减小阻力带来的误差，A错误，D正确；
B．电源电压不稳定与该误差无关，B错误；
C．该误差为系统误差，多次求平均值无法减小系统误差，D错误。
故选D。
4．利用自由落体“验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法正确的是( )
A．实验中可以不用天平测出重物的质量
B．实验时接通电源和释放纸带应同时进行
C．实验中选用重物的体积越大，实验误差一定越小
D．实验中把秒表测得的时间代入v＝gt，计算重锤的速度
【答案】A
【详解】
A．验证机械能守恒定律的表达式为：
消去质量得：
所以不需要测出物体的质量，A正确；
B．为了充分利用纸带，应先接通电源后释放纸带，B错误；
C．重物体积越大，重物所受空气阻力可能越大，实验误差越大，C错误；
D．重锤理论上在竖直方向上做自由落体运动：
代入机械能守恒定律化解得：
说明若实验中把秒表测得的时间代入v＝gt，计算重锤的速度，相当于已知机械能守恒验证机械能守恒，无意义，应该利用打点计时器打出的纸带进行计算速度，D错误。
故选A。
5．用图所示装置做“验证机械能守恒定律”实验时，有以下操作，其中不正确的是 （填字母）
A．将打点计时器的两个限位孔调节到同一竖直线上
B．先放手让纸带和重物下落，再接通电源开关
C．使重物靠近打点计时器
D．所选择的纸带最开始两点间的距离应接近2mm
【答案】B
【详解】
A．将打点计时器的两个限位孔调节到同一竖直线上，可以减小纸带运动过程中的摩擦力，故A正确，故A项不合题意；
BC．手提纸带应使重物靠近打点计时器，可以提高纸带使用率，做实验时，应先接通电源，再释放纸带，故B错误，C正确，B项符合题意，C项不合题意；
D．如果为自由落体运动，则有：
知所选择的纸带最开始两点间的距离应接近2mm，故D正确，D项不合题意．
6．《验证机械能守恒定律》的实验中，对自由下落的重物，下述选择的条件哪种更为有利？（ ）
A．只要有足够重就可以
B．只要体积足够小就可以
C．既要足够重，又要体积非常小
D．应该密度大些，还应便于夹紧纸带，使纸带随同运动时不致扭曲
【答案】D
【详解】
重物密度大些，相对阻力的影响小一些，如果重物体积太小，纸带在运动过程中容易发生扭曲。
故选D。
【点睛】
要知道重物带动纸带下落过程中能量转化的过程和能量守恒。知道能够减小实验误差的方法
7．在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列释放纸带的操作正确的是( )
A．
B．
C．
D．
【答案】A
【解析】
在“验证机械能守恒定律”的实验中，应手提纸带的末端，使纸带竖直，让重物靠近打点计时器，先接通电源，再释放纸带，由此可知，A正确；B C D错误；
故选A．
8．实验“用DIS研究机械能守恒定律”的装置如图所示，标尺盘中A、B、C、D为摆锤的四个位置，各点与最低点D的高度差已由计算机默认。某组同学在实验中，得到的图象如图所示。图象的横轴表示摆锤距D点的高度h，纵轴表示摆锤的重力势能、动能或机械能。下列说法错误的是（ ）
A．光电门传感器要分别放在D、C、B点进行重复操作
B．摆锤每次释放的高度要保持不变，且必须保证让摆锤的直径宽度遮挡红外发射孔
C．图线甲表示摆锤的机械能E
D．图线乙表示摆锤的机械能
【答案】D
【详解】
AB．光电门传感器要分别放在D、C、B点进行重复操作，利用光电门来测量各点的瞬时速度，注意摆锤每次释放的高度要保持不变，且必须保证让摆锤的直径宽度遮挡红外发射孔，故AB正确，不符合题意．
CD．小球在静止释放后，重力在做正功，重力势能不断减少，动能不断增加，通过观察图象b特点易知：丙表示重力势能，乙表示动能，甲表示机械能E，故C正确，不符合题意，D错误，符合题意．
故选D．
【点睛】
本题比较新颖，要注意结合实验的原理进行分析，从而找出符合该实验的原理，同时掌握求解瞬时速度的方法，及光电门的工作原理．