高中物理必修二85實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律（原稿版）

1、21世紀(jì)教育網(wǎng) 精品試卷第 PAGE 2 頁 （共 NUMPAGES 2 頁）8.5實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，明確實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的物理量。2.知道實(shí)驗(yàn)中選取測(cè)量點(diǎn)的有關(guān)要求，會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)中打出的紙帶測(cè)定物體下落的距離，掌握測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度的方法。3.能正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析中得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。4.能定性地分析產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因，并會(huì)采取相應(yīng)的措施減小實(shí)驗(yàn)誤差【知識(shí)要點(diǎn)】一、實(shí)驗(yàn)原理1做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體，設(shè)質(zhì)量為m，下落高度為h時(shí)的速度為v，則減少的重力勢(shì)能為mgh，增加的動(dòng)能為mv2/2。若兩個(gè)量在誤差范圍內(nèi)相等，就驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。2

2、測(cè)定第n點(diǎn)的瞬時(shí)速度的方法是：物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度，等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度。3.如圖所示為實(shí)驗(yàn)中得到的紙帶，各段距離的測(cè)量數(shù)據(jù)在圖中標(biāo)出，設(shè)相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間為T，則紙帶上n點(diǎn)的瞬時(shí)速度的計(jì)算表達(dá)式為： 二、實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、電火花計(jì)時(shí)器、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、低壓交流電源(4 V6 V).實(shí)驗(yàn)步驟1按照實(shí)驗(yàn)裝置圖，先將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直的固定在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與學(xué)生電源連接好。2把紙帶的一端在重錘上用夾子固定好，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器兩個(gè)限位孔，用手豎直提起紙帶，使重錘停靠在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近。3先接通電源打點(diǎn)，后釋放紙帶，

3、讓重物自由落下，紙帶上打下一系列點(diǎn)。4換上新紙帶，重復(fù)實(shí)驗(yàn)幾次。得到3-5條打好點(diǎn)的紙帶。5在打好的紙帶中挑選第一、二兩點(diǎn)間距接近2mm，且點(diǎn)跡清晰的一條紙帶。在起始點(diǎn)標(biāo)上0，并在紙帶上清晰的點(diǎn)開始連續(xù)選取幾個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)標(biāo)為1、2、3、4，并用刻度尺測(cè)量出各點(diǎn)到0點(diǎn)的距離為對(duì)應(yīng)下落的高度h1、h2、h3、h4。如圖所示。四、數(shù)據(jù)處理1計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度：根據(jù)公式vneq f(hn1hn1,2T)，計(jì)算出1、2、3、n點(diǎn)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3、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eq f(1,2)mveq oal(2

4、,n)，計(jì)算ghn和eq f(1,2)veq oal(2,n)，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)ghneq f(1,2)veq oal(2,n)，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eq f(1,2)mveq oal(2,B)eq f(1,2)mveq oal(2,A)，計(jì)算ghAB和eq f(1,2)veq oal(2,B)eq f(1,2)veq oal(2,A)，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)ghABeq f(1,2)veq oal(2,B)eq f(1,2)veq oal(2,A)，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證方法三：圖像法計(jì)算各計(jì)

5、數(shù)點(diǎn)eq f(1,2)v2，以eq f(1,2)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eq f(1,2)v2h圖線(如圖)若在誤差允許范圍內(nèi)圖像是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律五、注意事項(xiàng)1選用質(zhì)量和密度較大的重物，減小阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。2打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝時(shí)，必須使兩個(gè)限位孔在同一豎直線上，從而減小紙帶下落時(shí)受到的阻力。3實(shí)驗(yàn)時(shí)，需保持提紙帶的手不動(dòng)，待接通電源、讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作正常后才釋放紙帶讓重錘下落，以保證第一個(gè)點(diǎn)是一個(gè)清晰的點(diǎn)。4應(yīng)挑選第一點(diǎn)和第二點(diǎn)的間距接近2毫米，點(diǎn)跡清晰的紙帶，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。5測(cè)量下落高度時(shí)，必須從打出的第1個(gè)點(diǎn)算起，為

6、了減小測(cè)量高度h時(shí)的相對(duì)誤差，選取的各個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)要離起始點(diǎn)盡量遠(yuǎn)一些。6因不需要知道動(dòng)能和重力勢(shì)能的具體數(shù)值，所以不需要測(cè)量重錘的質(zhì)量六、誤差分析：1測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)會(huì)存在偶然誤差，所以測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)要多測(cè)幾次，取其平均值即可減小此誤差。2由于本實(shí)驗(yàn)中紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器振針、紙帶與限位孔的摩擦和空氣阻力的影響，而存在系統(tǒng)誤差。它使增加的動(dòng)能總小于減少的重力勢(shì)能。要減少此誤差，應(yīng)采用增加重錘的質(zhì)量的辦法，因?yàn)楫?dāng)重錘的重力遠(yuǎn)大于阻力時(shí)，可忽略阻力的影響。3為了減小相對(duì)誤差，選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)最好離第一點(diǎn)遠(yuǎn)一些。4若第一、第二兩點(diǎn)的間距小于2mm，則這兩點(diǎn)的時(shí)間間隔不到0.02s或阻力過大。若第一、第二兩點(diǎn)的間距大于2

7、mm，則第一點(diǎn)的速度不為零?！绢}型分類】題型一、實(shí)驗(yàn)操作及步驟【例1】如圖所示，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，使重物帶動(dòng)紙帶從靜止開始自由下落，利用此裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。（1）某實(shí)驗(yàn)小組利用上述裝置將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到50Hz的交流電源上，按正確操作得到了一條完整的紙帶，由于紙帶較長(zhǎng)，圖中有部分未畫出，如圖所示。紙帶上各點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的計(jì)時(shí)點(diǎn)，其中O點(diǎn)為紙帶上打出的第一個(gè)點(diǎn)。重物下落高度應(yīng)從紙帶上計(jì)時(shí)點(diǎn)間的距離直接測(cè)出，利用下列測(cè)量值能完成驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的選項(xiàng)有_。A.OA、AD和EG的長(zhǎng)度B.OC、BC和CD的長(zhǎng)度C.BD、CF和EG的長(zhǎng)度D.AC、BD和EG的長(zhǎng)度（2）對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，下列

8、操作中對(duì)減小實(shí)驗(yàn)誤差有利的是。A.重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘B.兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對(duì)正C.精確測(cè)量出重物的質(zhì)量D.用手托穩(wěn)重物，接通電源后，釋放重物【同類練習(xí)】1用如圖甲所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，若按正確的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行，并選出如圖乙所示的紙帶，回答下列問題：(1)紙帶的_（選填“左”或“右”）端與重物相連。(2)下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)操作步驟（示意圖如圖甲所示）：A按照?qǐng)D示的裝置安裝器件；B將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的交流輸出端上；C用天平測(cè)量出重物的質(zhì)量；D釋放懸掛紙帶的夾子，同時(shí)接通電源開關(guān)打出一條紙帶；E測(cè)量紙帶上打出的某些點(diǎn)之間的距離；F根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重物下落過程中減少的

9、重力勢(shì)能是否等于增加的動(dòng)能。指出其中沒有必要進(jìn)行的和操作不恰當(dāng)?shù)牟襟E，將其選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的字母填在下面的橫線上，并改正不恰當(dāng)?shù)牟襟E：沒有必要進(jìn)行的步驟是_，理由是_，操作不恰當(dāng)?shù)牟襟E是_，改正為_。題型二、數(shù)據(jù)分析【例2】在用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中：（1）所用重物質(zhì)量m10 kg，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源頻率為50 Hz，打下的紙帶如圖所示（圖中的數(shù)據(jù)為從起始點(diǎn)O到該點(diǎn)的距離），則在打B點(diǎn)時(shí)，重物的速度vB_ m/s，重物的動(dòng)能EkB_ J，從開始下落到打B點(diǎn)時(shí)，重物的重力勢(shì)能減少量是_ J（g取98 m/s2,結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）（2）根據(jù)紙帶算出各點(diǎn)的速度v，量出下落距離h，則以v2為縱軸

10、，以h為橫軸，畫出的圖線應(yīng)是下圖中的（_）題型三、創(chuàng)新題型【例3】如圖所示的裝置可用來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，擺錘A拴在長(zhǎng)為L(zhǎng)的輕繩一端，輕繩另一端固定在O點(diǎn)，在A上放一個(gè)質(zhì)量很小的小鐵塊，現(xiàn)將擺錘拉起，使繩與豎直方向成角，由靜止開始釋放擺錘，當(dāng)其到達(dá)最低位置時(shí)，受到豎直擋板P的阻擋而停止運(yùn)動(dòng)，之后鐵塊將飛離擺錘做平拋運(yùn)動(dòng)(1)為了驗(yàn)證擺錘在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能守恒，必須求出擺錘在最低點(diǎn)的速度為了求出這一速度，還應(yīng)測(cè)量的物理量有_(2)用測(cè)得的物理量表示擺錘在最低點(diǎn)的速度v_(3)用已知的和測(cè)得的物理量表示擺錘在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能守恒的關(guān)系式為_【成果鞏固訓(xùn)練】1利用圖甲裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)

11、。（1）為驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒，需要比較重物下落過程中任意兩點(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)線及開關(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，得到圖乙所示的一條紙帶。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。設(shè)重物的質(zhì)量為m。從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過程中，重物的重力勢(shì)能變化量Ep_，動(dòng)能變化量Ek_。（4）大多數(shù)學(xué)

12、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沒有采用多次實(shí)驗(yàn)取平均值的方法2在圖甲所示的光電計(jì)時(shí)器中，a、b分別是光電門的激光發(fā)射和接收裝置，當(dāng)有物體從a、b間通過時(shí)，光電計(jì)時(shí)器就可以顯示物體的擋光時(shí)間?，F(xiàn)利用圖乙所示裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。圖中PQ是固定的光滑斜面，斜面的傾角為，1和2是固定在斜面上適當(dāng)位置的兩個(gè)光電門，與它們連接的光電計(jì)時(shí)器都沒有畫出。讓滑塊從斜面的頂端滑下，光電門12各自連接的光電計(jì)時(shí)器顯示的擋光時(shí)間分別為和。已知滑塊質(zhì)量為，滑塊沿斜面方向的寬度為，光電門1和2之間的

13、距離為，g取，設(shè)滑塊經(jīng)過光電門的速度為其平均速度。（1）滑塊通過光電門1時(shí)的速度_，通過光電門2時(shí)的_。（2）滑塊通過光電門1、2之間的動(dòng)能增加量為_J，重力勢(shì)能的減少量為_J由此可得出的結(jié)論是_。3利用如圖所示裝置進(jìn)行“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)量重物由靜止開始自由下落到某點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度和下落高度h，某班同學(xué)利用實(shí)驗(yàn)得到的紙帶設(shè)計(jì)了以下四種測(cè)量方案。A用刻度尺測(cè)出重物下落高度h，并測(cè)出下落時(shí)間t，通過計(jì)算出瞬時(shí)速度。B用刻度尺測(cè)出重物下落的高度h，并通過計(jì)算出瞬時(shí)速度v。C根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶時(shí)器紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)速度v，并通過計(jì)算出高度h。D用刻度尺測(cè)出重物下落的高度圖h，根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這點(diǎn)前后相鄰兩點(diǎn)間的平均速度，測(cè)算出瞬時(shí)速度。(1)以上方案中只有一種最合理，最合理的是_。（填入上述方案相應(yīng)的字母）(2)要使該實(shí)驗(yàn)誤差盡量小，下列注意點(diǎn)正確的是_。（填入相應(yīng)的字母）A使重物的質(zhì)量越大越好，但懸掛時(shí)不能拉斷紙帶B選用電火花計(jì)時(shí)器比電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器更好，可減小阻力的影響C測(cè)長(zhǎng)度時(shí)保持紙帶懸掛狀態(tài)，刻度尺的讀數(shù)更準(zhǔn)確D紙帶越長(zhǎng)