课时8-5-实验：验证机械能守恒定律(新教材人教版必修第二册).docx

第八章 机械能守恒定律课时 8.5 实验：验证机械能守恒定律1.知道验证机械能守恒定律实验的思路。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。3.掌握利用气垫导轨和数字计时器验证机械能守恒定律的原理和方法。一、实验原理让物体自由下落，忽略阻力的情况下，物体的机械能守恒。有两种方案验证物体的机械能守恒： 方案一：以物体自由下落的位置O为起始点，测出物体下落高度h时的速度大小v，若12mv2=mgh成立，则可验证物体的机械能守恒。方案二：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12mv22 - 12mv12 =mgh成立，则物体的机械能守恒。二、实验器材铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、交流电源。三、实验过程1.安装置：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35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，即对应下落的高度h1、h2、h3、四、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。五、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)以第一个点为起始点时，要验证的是12mvn2=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约为h=12gt2=12100.022 m=2 mm。(2)以下落中某点为起点时，要验证的是12mvm2-12mvn2=mghmn，这时选择纸带不需要满足前两点间距为2 mm。3.计算速度时不能用v=gt或v=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。题组一验证机械能守恒定律的实验过程1.在“验证机械能守恒定律”的实验中,某同学依据纸带求得各点的瞬时速度,以及与此相对应的重物下落距离h,以v2为纵轴,以h为横轴,建立坐标系,描点后画出v2-h图线,从而验证机械能守恒定律。若所有操作均正确,则得到的v2-h图像可能是 ()2.在做“验证机械能守恒定律”的实验时,所用学生电源可以输出6 V的交流电压和直流电压。重锤从高处由静止落下,重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点,对纸带上的点间的距离进行测量,根据测量结果即可验证机械能守恒定律。(1)下面给出了该实验的几个操作步骤:A.安装实验仪器B.将打点计时器接到电源的直流输出端C.用天平测量出重锤的质量D.先释放纸带,再接通电源,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锤下落过程中重力势能的减少量及相应的动能增加量,看二者是否相等指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤,并说明原因: 。(2)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值。如图所示,选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E,测出A点距起始点O的距离为l0,点A、C间的距离为l1,点C、E间的距离为l2,使用的交流电的频率为f,根据这些条件写出计算重锤下落的加速度a的表达式:。(3)同学们在做“验证机械能守恒定律”的实验时发现,重锤减少的重力势能总是大于重锤增加的动能,经过认真讨论,得知其原因主要是重锤下落过程中受到阻力的作用,可以通过实验测定该阻力的大小。若已知当地重力加速度的值为g,为测出该阻力,还需要测量的物理量是。结合(2)问中给出的物理量,表示出重锤下落的过程中受到的平均阻力大小F=。题组二实验的注意事项与误差分析3.利用如图所示装置进行“验证机械能守恒定律”的实验时,需要测量物体由静止自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h。某同学根据实验得到的纸带,设计了以下四种测量方案:A.用刻度尺测出某点对应的物体下落高度h,并测出下落时间t,通过v=gt计算出该点的瞬时速度。B.用刻度尺测出某点对应的物体下落高度h,并通过v=2g计算出该点的瞬时速度。C.根据纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度,测算出某点的瞬时速度v,并通过h=v22g计算出该点对应的物体下落高度。D.用刻度尺测出某点对应的物体下落高度h,根据纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度,测算出该点的瞬时速度v。(1)以上方案中最合理的是。(2)从减小实验误差的角度考虑,下列说法中正确的是。A.应选用质量较大、体积较小的重物,但悬挂时不能拉断纸带B.测量纸带上点间距离时,保持纸带悬挂状态,刻度尺的读数更准确C.纸带上打下的点越大越好D.纸带越长越好4.在“验证机械能守恒定律”的实验中,采用如图甲所示的实验装置。 甲 乙(1)现得到一条点迹清晰的纸带,如图乙所示,把纸带上第一个点记作O,另选纸带上连续打下的3个点A、B、C为计数点,经测量A、B、C各点到O点的距离分别为9.51 cm、12.70 cm、16.27 cm,则打点计时器打下B点时,重物的速度为m/s。(已知打点计时器的打点周期为0.02 s)2)实验中重物应该选用以下哪个物体。 A.20 g的砝码B.50 g的钩码C.200 g的木球D.200 g的铅制重锤(3)由于存在阻力,比较重物对应纸带上相距较远的某两点间的重力势能变化量Ep和动能变化量Ek的大小关系,总是存在EkEp(选填“”“=”或“”)。题组三创新实验设计5.如图,利用气垫导轨装置做“验证机械能守恒定律”实验时,先仔细地把导轨调水平,然后用垫块把导轨一端垫高H,质量为m的滑块上面装l=3 cm的挡光框,使它由轨道上端某处滑下,测出它通过光电门G1和G2时的速度v1和v2,就可以算出它由G1到G2这段过程中动能的增加量Ek=12m(v22-v12);再算出重力势能的减少量Ep=mgh;比较Ek和Ep的大小,便可验证机械能是否守恒。(1)已知两光电门间的距离为x,滑块的速度v1、v2如何求出?滑块由G1到G2下降的高度h如何求出?(2)若测得图中L=1 m,x=0.5 m,H=20 cm,m=500 g,滑块通过G1和G2的挡光时间分别为5.010-2 s和2.010-2 s,当地重力加速度g=9.80 m/s2,试判断滑块机械能是否守恒。6.某同学利用透明直尺和光电计时器来验证机械能守恒定律。实验的简易示意图如图所示,当有不透光物体从光电门通过时,光电计时器就可以显示物体的挡光时间。所用的光电门传感器可测的最短时间为0.01 ms。将挡光效果好、宽度为d=3.810-3 m的黑色磁带贴在透明直尺上,从一定高度由静止释放,并使其竖直通过光电门。某同学测得各段黑色磁带通过光电门的时间ti与图中所示的高度差hi,并将部分数据进行了处理,结果如下表所示。(取g=9.8 m/s2,注:表格中M为直尺质量)ti/(10-3 s)vi=dti/(ms-1)Eki=12Mvi2-12Mv12hi/mMghi11.213.1421.153.300.52M0.060.59M31.003.802.29M0.242.35M40.954.003.07M0.323.14M50.900.41(1)由表格中数据可知,直尺上磁带通过光电门的瞬时速度是利用vi=dti求出的,请你简要分析该同学这样做的理由: 。(2)请将表格中数据填写完整。(3)通过实验得出的结论是: 。(4)根据实验判断下列Ek-h图像中正确的是 。答案全解全析基础过关练1.C由12mv2=mgh得v2=2gh,可知v2h,所画v2-h图线应是一条过原点的直线。2.答案(1)见解析(2)a=l2-l14f2(3)重锤质量mmg-(l2-l1)f24解析(1)B中操作错误,应该将打点计时器接到电源的交流输出端;D中操作错误,应该先接通电源,再释放纸带;C操作没有必要,因为根据实验原理,重力势能的减少量和动能的增加量都包含了质量m,不测出m,也可以进行比较。(2)根据匀变速直线运动的推论x=at2,得al(2T)2=l2-l14T2=l2-l14f2。(3)根据牛顿第二定律有mg-F=ma,所以F=mg-ma=mg-(l2-l1)f24,故需要测量的物理量是重锤质量m。3.答案(1)D(2)A解析(1)A、B、C中用匀变速直线运动公式求出的v或h不是实验直接测量的数据,不能达到验证机械能守恒定律的目的。(2)本实验中,选用质量较大、体积较小的重物,可以减小阻力的影响,提高实验精确度,但要保证重物悬挂时不会将纸带拉断,A正确。测量纸带上点间距离时,应将纸带水平放置,B错误。纸带上打下的点越大,测量误差越大,C错误。纸带长度适当即可,纸带过长会影响重物运动情况,D错误。4.答案(1)1.69(2)D(3)解析(1)由匀变速直线运动的规律可知,某段时间内中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度,vB=sAC2T=0.162 7-0.095 10.04 m/s=1.69 m/s。(2)实验中为了减小相对阻力,应选择质量较大、体积较小的物体,即选D。(3)由于重物下落时要克服阻力做功,故总是存在EkEp。5.答案见解析解析(1)因为挡光框宽度很小,滑块通过光电门的时间极短,可认为挡光框通过光电门时的平均速度等于滑块通过光电门的瞬时速度,所以v=lt,其中t为挡光框通过光电门时的挡光时间。由几何关系可知x=HL,便可求得h=HLx,H、L、x都是实验时设定的。(2)由题中所给数据可得,v1=lt1=0.6 m/s,v2=lt2=1.5 m/s,动能的增加量Ek=12m(v22-v12)=0.473 J,h=HLx=0.1 m,重力势能的减少量Ep=mgh=0.490 J,在误差允许的范围内可认为滑块的机械能守恒。6.答案(1)见解析(2)4.223.97M4.02M(3)见解析(4)C解析(1)瞬时速度等于极短时间或极短位移内的平均速度。(2)根据vi=dti得v5=4.22 m/s;根据Eki=12M(vi2-v12)得Ek5=3.97M;Mgh5=4.02M。(3)在误差允许的范围内,重力势能的减少量等于动能的增加量。(4)根据动能定理得Mgh=Ek,所以Ek-h图线的斜率k=Ek=Mg,应该是一条过原点的倾斜直线,选项C正确。