物理必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律学案及答案

这是一份物理必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律学案及答案，共15页。学案主要包含了实验原理，实验器材，实验步骤，数据处理，实践研究，课后巩固等内容，欢迎下载使用。
8.5 实验：验证机械能守恒定律





1.会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。


2.掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。





1．什么是机械能？


2．机械能守恒的条件是什么？


利用打点计时器在纸带上记录下物体自由下落的高度h及计算出的瞬时速度v，若物体在自由下落过程中机械能守恒，则应满足的关系式是：





【实验原理】


让物体自由下落，忽略阻力情况下物体的机械能守恒，有两种方案验证物体的机械能守恒：


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＝_________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)mv22－eq \f(1,2)mv12＝_________成立，则物体的机械能守恒。


思考一：实验中为什么不必用天平测量重锤的质量？


思考一：实验时不慎将一条选择好的纸带的前面一部分损坏了，能否用来验证机械能守恒定律？


【实验器材】


铁架台(带铁夹)、__________________、重锤(带纸带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、__________________。


【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________打点计时器的地方。先____________，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做3次～5次实验。


3．选纸带：选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为__________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…


【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…并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3…再根据公式vn＝____________，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)mvn2，计算ghn和eq \f(1,2)vn2，如果在实验误差允许的范围内ghn＝________，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)mvB2－eq \f(1,2)mvA2，计算ghAB和eq \f(1,2)vB2－eq \f(1,2)vA2，如果在实验误差允许的范围内ghAB＝___________，则机械能守恒定律得到验证。


方法三：图像法。


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，如图所示。若在误差许可的范围内图像是一条过__________且斜率为________的直线，则验证了机械能守恒定律。








1．在“验证机械能守恒定律”实验中，


（1）下图是部分实验器材，需在图中选用的器材是_______





（2）实验中需要直接测量的物理量是____（填字母）．


A．重力加速度


B．重物下落的高度


C．重物下落的瞬时速度


（3）某同学的实验结果显示重物的动能变化量略大于重力势能变化量，出现这一问题的原因可能是____（填字母）


A．重物的质量测量错误


B．纸带的数据测量错误


C．交流电源的频率小于


D．重物下落时受到的阻力过大


2．(1) 某同学用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律”的实验，已有铁架台、铁夹、电源、纸带、打点计时器，还必须选取的器材有________(填字母)．


A．砝码 B．重锤 C．秒表 D．刻度尺





(2) 实验中打点计时器接周期为T的交流电源，该同学得到的一条理想纸带如图所示，O点对应重物做自由落体运动的初始位置，从合适位置开始选取的三个连续点A、B、C到O点的距离如图所示，已知重物的质量为m，重力加速度为g.则从打下O点到B点的过程中，重物减少的重力势能为___________，重物增加的动能为_____________．


3．某同学做“验证机械能守恒定律”实验如图所示，采用重物自由下落的方法：





(1)实验中，下面哪些测量工具是必需的？______；


A、天平 B、直流电源C、刻度尺D、秒表


(2)实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，当地的重力加速度g=9.80m/s2，所用重物的质量为，实验中得到一条点迹清晰的纸带如图所示，把第一点记作0，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点，经测量知道A、B、C、D到0点的距离分别为62.99cm，70.18cm，77.76cm，85.73cm，根据以上的数据，可知重物由0点运动到C点时，动能的增加量等于7.57J，重力势能的减小量等于______J，动能的增加量______重力势能的减小量（填“＞”、“＝”或“＜”）（计算结果保留三位有效数字），该同学的实验结果能否验证机械能守恒定律___________ 。（填“能”或“不能 ”）





4．某同学用图（a）所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20Hz、30 Hz和40 Hz，打出纸带的一部分如图（b）所示．





该同学在实验中没有记录交流电的频率，需要用实验数据和其他条件进行推算．


（1）若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用和图（b）中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为_________，打出C点时重物下落的速度大小为________，重物下落的加速度的大小为________.


（2）已测得=8.89cm，=，=10.10cm；当重力加速度大小为9.80m/，试验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%．由此推算出为________ Hz．


5．为了验证机械能守恒定律，某同学使用如图所示的气垫导轨装置进行实验．其中G1、G2为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑行器M通过G1、G2光电门时，光束被滑行器M上的挡光片遮挡的时间△t1、△t2都可以被测量并记录，滑行器连同挡光片的总质量为M，挡光片宽度为D，两光电门中心间的距离为x，牵引砝码的质量为m，细绳不可伸长且其质量可以忽略，重力加速度为g．该同学想在水平的气垫导轨上，只利用以上仪器，在滑行器通过G1、G2光电门的过程中验证机械能守恒定律，请回答下列问题：





（1）实验开始应先调节气垫导轨下面的螺母，使气垫导轨水平．请在以下空白处填写实验要求．


在不增加其他测量器材的情况下，调水平的步骤是：取下牵引砝码m，接通气垫导轨装置的电源，调节导轨下面的螺母，若滑行器M放在气垫导轨上的任意位置都能保持静止，或者轻推滑行器M，M分别通过光电门G1、G2的时间 ，则导轨水平；


（2）当气垫导轨调水平后，在接下来的实验操作中，以下操作合理的是 ；


A．挡光片的宽度D应尽可能选较小的


B．选用的牵引砝码的质量m应远小于滑行器和挡光片的总质量M


C．为了减小实验误差，光电门G1、G2的间距x应该尽可能大一些


D．用来牵引滑行器M的细绳可以与导轨不平行


（3）在每次实验中，若表达式 （用M、g、m、△t1、△t2、D、x表示）在误差允许的范围内成立，则机械能守恒定律成立．


6．用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源，输出电压为6V 的交流电和直流电两种，重物从高处由静止开始落下，重物拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。





（1）下面列举了该实验的几个操作步骤：


A．按照图示的装置安装器件；


B．将打点计时器接到电源的直流输出端上；


C．用天平测量出重物的质量；


D．释放悬挂纸带的夹子，接通电源开关打出一条纸带；


E．测量打出的纸带上某些点之间的距离；


F．根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。


其中没有必要进行的步骤是__________；操作不恰当的步骤是___________。


（2）某同学做“验证机械能守恒定律”的实验时，打下的一条纸带如图所示，0点为起始点，测得3 点、6 点、9点与第一点0 间的距离分别为hA=1.75cm，hB=7.00cm，hC=15.70cm，交流电的周期是0.02s，当地的重力加速度g=9.8m/s2，设重物的质量是m=1.00kg，则从0 点到6 点，重物的动能增量ΔEk=____J，重物重力势能减少量ΔEp=____________J。（有效数字均保留两位）








1．某同学用如图所示的装置通过研究重锤的自由落体运动来验证机械能守恒定律。已知重力加速度为g。





（1）在实验得到的纸带中，我们选用如图所示的起点O与相邻点之间距离约为2mm的纸带来验证机械能守恒定律．图中A、B、C、D、E、F、G为七个相邻的原始点，F点是第n个点．设相邻点间的时间间隔为T，下列表达式可以用在本实验中计算F点速度vF的是________。


A．vF＝g(nT)


B．vF＝


C．vF＝


D．vF＝


（2）若代入图中所测的数据，求得在误差范围内等于________(用已知量和图中测出的物理量表示)，即可验证重锤下落过程中机械能守恒．即使在操作及测量无误的前提下，所求也一定会略________(选填“大于”或“小于”)后者的计算值，这是实验存在系统误差的必然结果。





2．利用如图所示装置做“验证机械能守恒定律”的实验.





（1）为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的（_______）


A．动能变化量与势能变化量


B．速度变化量和势能变化量


C．速度变化量和高度变化量


（2）除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是（_______）


A．交流电源


B．刻度尺


C．天平(含砝码)


（3）实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为、、。


已知当地重力加速度为，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为，从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp＝________，动能变化量ΔEk＝__________.





（4）大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是_______________________________________________________________。


3．如图所示，是用落体法“验证机械能守恒定律”的实验装置，请回答下列问题：





(1)从下列器材中选出实验所必需的，其编号为__________．


A．打点计时器(含纸带)； B．重锤； C．天平； D．毫米刻度尺； E.秒表．


(2)实验中产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计时器的摩擦阻力，使重锤获得的动能往_______它所减小的重力势能(填“大于”、“小于”或“等于”)．


(3)如果以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出-h图线是一条通过坐标原点的倾斜直线，该直线的斜率所代表的含义为__________．


4．小明想要粗略验证机械能守恒定律。把小钢球从竖直墙某位置由静止释放，用数码相机的频闪照相功能拍摄照片如图所示。已知设置的频闪频率为f，当地重力加速度为g。





(1)要验证小钢球下落过程中机械能守恒，小明需要测量以下哪些物理量______（填选项前的字母）。


A．墙砖的厚度d B．小球的直径D C．小球的质量m


(2)照片中A位置______（“是”或“不是”）释放小球的位置。


(3)如果表达式___________（用题设条件中给出的物理量表示）在误差允许的范围内成立，可验证小钢球下落过程中机械能守恒。


5．利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验：





（1）为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的________；


A．动能变化量与势能变化量 B．速度变化量和势能变化量 C．速度变化量和高度变化量


（2）供选择的重物有以下四个，应选择___________；


A．质量为100g的木球 B．质量为10g的砝码


C．质量为200g的钩码 D．质量为10g的塑料球


（3）除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是________；


A．交流电源 B．刻度尺 C．天平（含砝码）


（4）实验中，先接通电源，再释放重物，得到图乙所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC；已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m。从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp=________，若测动能变化量应先测出B的速度vB=_____，故ΔEk=________；





（5）大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是________。


A．利用公式v=gt计算重物速度 B．利用公式计算重物速度


C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响 D．没有采用多次实验取平均值的方法


6．物理研究性学习小组的同学设计多种实验想要测量月球表面的重力加速度 g 月的大小的。


（1）他们假设自己在月球上，设计了实验方案一，利用：A 质量 m 已知的重锤、B 打点计时器、C 直流电源、D 弹簧测力计，进行测量。他们的实验原理是________________（只填写规 律公式）；实验选用的器材有____________________（选填器材前的字母）。


（2）他们假设自己在月球上，设想了实验方案二，利用小球自由下落时的频闪照片示意图，如图所示。若已知频闪仪每隔 T= 0.1s 闪光一次。他们的实验原理是_______（只填写规律公式）；若已知月球表面的重力加速度 g 月=1.6m/s2，则图中的 AB 间的位移大小为_______。





（3）展开你想象的翅膀，大胆的再设计一个测量月球表面重力加速度 g 月大小的方案，写清你的实验原理，推导出测量 g 月的表达式，并写清需要测量的物理量。





7．某同学利用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律．





（1）请指出该同学在实验操作中存在的两处错误___________________________．


（2）若所用交流电的频率为，该同学经正确操作得到如图所示的纸带，把第一个点记做O，另选连续的3个点A、B、C作为测量的点，A、B、C各点到O点的距离分别为S1、S2、S3，重物质量为m，重力加速度为g．根据以上数据知，从O点到B点，重物的重力势能的减少量等于________，动能的增加量等于________．（用所给的符号表示）





（3）重力势能的减少量________动能的增加量（填“大于”、“等于”、“小于”）的原因是___________________.


8．在用落体法验证机械能守恒定律时，某小组按照正确的操作选得纸带如图.其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点．用毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离，并记录在图中．（已知当地的重力加速度g＝9.80 m/s2 ， 重锤质量为m＝1 kg，计算结果均保留3位有效数字）





图中的三个测量数据中不符合有效数字读数要求的是________段的读数，应记作________cm；


②甲同学用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，他用AC段的平均速度作为B点对应的瞬时速度vB ， 则求得该过程中重锤的动能增加量ΔEk＝________J，重力势能的减少量ΔEp＝________J；这样验证的系统误差总是使ΔEk________ΔEp（选填“>”、“”、“ 甲


9【答案】只有重力或弹力做功 重力势能 速度 大于


10．【答案】AC 0.228J 0.226J 大于 受到空气阻力和纸带与打点计时器的阻力


实验原理
_____________
公式推导
___________________
需要测量的物理量
_______________