2022-2023學(xué)年人教版（2019）必修第二冊(cè) 8.5實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 學(xué)案（含答案）

2022-2023學(xué)年人教版（2019）必修第二冊(cè)8.5實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案（含答案）【素養(yǎng)目標(biāo)】1．會(huì)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)速度和位移．2．探究自由落體運(yùn)動(dòng)物體的機(jī)械能守恒．【必備知識(shí)】知識(shí)點(diǎn)一、實(shí)驗(yàn)原理讓物體自由下落，在忽略阻力的情況下，探究物體的機(jī)械能守恒，有兩種方案探究物體的機(jī)械能守恒：1．以物體下落的起始點(diǎn)O為基準(zhǔn)，測(cè)出物體下落高度h時(shí)的速度大小v，若eq\f(1,2)mv2＝mgh成立，則可驗(yàn)證物體的機(jī)械能守恒．2．測(cè)出物體下落高度h過(guò)程的初、末時(shí)刻的速度v1、v2，若關(guān)系式eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＝mgh成立，則物體的機(jī)械能守恒．知識(shí)點(diǎn)二、實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源(4～6V)、重物、毫米刻度尺、紙帶(帶夾子)、復(fù)寫紙片、導(dǎo)線.知識(shí)點(diǎn)三、實(shí)驗(yàn)步驟1．安裝置：按圖將檢查、調(diào)整好的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上，接好電路．2．打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方．先接通電源，后松開(kāi)紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落．更換紙帶重復(fù)做3～5次實(shí)驗(yàn)．3．選紙帶：選取點(diǎn)跡較為清晰且有1、2兩點(diǎn)間的距離約為2mm的紙帶，把紙帶上打出的兩點(diǎn)間的距離為2mm的第一個(gè)點(diǎn)作為起始點(diǎn)，記作O，在距離O點(diǎn)較遠(yuǎn)處再依次選出計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3…4．測(cè)距離：用刻度尺測(cè)出O點(diǎn)到1、2、3…的距離，即為對(duì)應(yīng)下落的高度h1、h2、h3…知識(shí)點(diǎn)四、數(shù)據(jù)處理1．計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度：記下第1個(gè)點(diǎn)的位置O，在紙帶上從離O點(diǎn)適當(dāng)距離開(kāi)始選取幾個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3…n并測(cè)量出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離h1、h2、h3…h(huán)n再根據(jù)公式vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)，計(jì)算出1、2、3、4、…n點(diǎn)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3、v4…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\o\al(2,n)，計(jì)算ghn和eq\f(1,2)veq\o\al(2,n)，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)ghn＝eq\f(1,2)veq\o\al(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mghA－mghB，動(dòng)能增加量為eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)，計(jì)算ghAB和eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,A)，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)ghAB＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,A)，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證．方法三：圖象法．計(jì)算各計(jì)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)v2-h圖線．若在誤差許可的范圍內(nèi)圖象是一條過(guò)原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．知識(shí)點(diǎn)五、誤差分析1．在進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，測(cè)量及讀數(shù)不準(zhǔn)造成誤差．2．重物下落要克服阻力做功，部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，下落高度越大，機(jī)械能損失越多，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了各計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)械能依次略有減小的現(xiàn)象．3．由于交流電的周期不穩(wěn)定，造成打點(diǎn)時(shí)間間隔變化而產(chǎn)生誤差．知識(shí)點(diǎn)六、注意事項(xiàng)1．應(yīng)盡可能控制實(shí)驗(yàn)滿足機(jī)械能守恒的條件，這就要求盡量減小各種阻力的影響，采取的措施有：(1)安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，必須使兩個(gè)限位孔的中線嚴(yán)格豎直，以減小摩擦阻力．(2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對(duì)減小，增大密度可以減小體積，使空氣阻力減?。?．紙帶選取：(1)以第一個(gè)點(diǎn)為起點(diǎn)時(shí)，要驗(yàn)證的是eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)＝mghn，必須保證紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)為重物靜止釋放時(shí)打的點(diǎn)，所以前兩個(gè)點(diǎn)的間距為h＝eq\f(1,2)gt2＝eq\f(1,2)×10×(0.02)2m＝2mm.(2)以下落中某點(diǎn)為起點(diǎn)時(shí)，要驗(yàn)證的是eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)＝mghmn，這時(shí)選擇紙帶不需要滿足兩點(diǎn)間距為2mm.3．計(jì)算速度時(shí)不能用v＝gt或v＝eq\r(2gh)，否則就犯了用機(jī)械能守恒定律去驗(yàn)證機(jī)械能守恒的錯(cuò)誤．【課堂檢測(cè)】1．如圖所示，在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的交流電的頻率為50Hz，查得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=10m/s2，測(cè)得所用的重物的質(zhì)量為1.00kg，實(shí)驗(yàn)中得到一條點(diǎn)跡清晰的紙帶如圖所示。把第一個(gè)點(diǎn)記做O，另選連續(xù)的4個(gè)點(diǎn)A、B、C、D作為測(cè)量的點(diǎn)。經(jīng)測(cè)得知道A、B、C、D各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離為62.99cm、70.14cm、77.76cm、85.37cm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知重物由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)，重力勢(shì)能的減少量等于___________J；C點(diǎn)的速度為_(kāi)______m/s；（計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字）；但實(shí)驗(yàn)中總存在重力勢(shì)能的減少量_______動(dòng)能的增加量（填小于、等于、大于），則上述三個(gè)空的答案是（）A．7.78381等于B．7.783.81大于C．7783.81大于D．7.783.81等于【答案】B【詳解】ABCD．重物下落過(guò)程中，重力勢(shì)能的減小量等于重力做的功勻變速直線運(yùn)動(dòng)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于這段位移的平均速度，有重物下落過(guò)程中需要克服空氣阻力做功，由能量守恒可得重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量，ACD錯(cuò)誤，B正確。故選B。2．用如圖所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，輕繩兩端系著質(zhì)量均為M的物塊A、B，B上放一質(zhì)量為m的金屬片C，在B的正下方鐵架臺(tái)上固定一金屬圓環(huán)。開(kāi)始時(shí)金屬片C與圓環(huán)間的高度為h，由靜止釋放B，運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后金屬片C被擱置在圓環(huán)上（C與輕繩間無(wú)接觸），測(cè)得B通過(guò)兩數(shù)字計(jì)時(shí)器的時(shí)間間隔為t，已知兩數(shù)字計(jì)時(shí)器的豎直間距為d。改變h重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到多組數(shù)據(jù)，為了直觀反映數(shù)據(jù)關(guān)系，應(yīng)繪制（）

A．t-h圖象 B．圖象 C．圖象 D．圖象【答案】B【詳解】在金屬片擱置之前，系統(tǒng)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，擱置后，系統(tǒng)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則有為了直觀反映數(shù)據(jù)關(guān)系，應(yīng)繪制圖象。故選B?！舅仞B(yǎng)作業(yè)】1．某位同學(xué)做利用自由落體運(yùn)動(dòng)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)，下列操作步驟中錯(cuò)誤的是（）A．把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線連接到低壓交流電源B．將連有重錘的紙帶穿過(guò)限位孔，將紙帶和重錘提升到一定高度C．先釋放紙帶，再接通電源D．更換紙帶，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)記錄處理數(shù)據(jù)【答案】C【詳解】A．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用低壓交流電源，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線連接低壓交流電源，A正確；B．固定好打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，將連有重物的紙帶穿過(guò)限位孔，用手提住，將紙帶和重錘提升到一定高度，盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，B正確；C．應(yīng)先接通電源，然后釋放重物，否則紙帶開(kāi)始階段是空白，可能所采集的數(shù)據(jù)不夠，而且浪費(fèi)紙帶，C錯(cuò)誤；D．重復(fù)幾次，取得幾條打點(diǎn)紙帶，挑選一條清楚的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，D正確。故選C。2．下列有關(guān)高中物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)的描述中，正確的是（）A．在“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)使用低壓直流電源B．在“探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)了等效替代思想的運(yùn)用C．在“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)中，坐標(biāo)紙上必須標(biāo)出小球剛開(kāi)始做平拋運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)D．在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，必須用天平測(cè)出物體的質(zhì)量【答案】B【詳解】A．在“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)使用低壓交流電源，A錯(cuò)誤；B．在“探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中，體現(xiàn)了等效替代思想的運(yùn)用，B正確；C．在“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”的實(shí)驗(yàn)中，描繪平拋運(yùn)動(dòng)軌跡，不一定非得標(biāo)出平拋運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)，C錯(cuò)誤；D．在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中根據(jù)質(zhì)量可以約掉，可以不測(cè)量物體的質(zhì)量，D錯(cuò)誤。故選B。3．圖示為某同學(xué)做驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)的裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，重錘重力勢(shì)能的減少量總略大于動(dòng)能的增加量，其主要原因是()A．重錘的密度過(guò)大B．電源的電壓不穩(wěn)定C．沒(méi)有采用多次實(shí)驗(yàn)取平均值D．存在空氣阻力和紙帶與限位孔之間的摩擦阻力【答案】D【詳解】AD．重錘下落過(guò)程中，重錘的重力勢(shì)能減小，一部分轉(zhuǎn)化為重錘的動(dòng)能，一部分克服阻力做功，所以重錘重力勢(shì)能的減少量總略大于動(dòng)能的增加量，而增大重錘密度，可以減小阻力帶來(lái)的誤差，A錯(cuò)誤，D正確；B．電源電壓不穩(wěn)定與該誤差無(wú)關(guān)，B錯(cuò)誤；C．該誤差為系統(tǒng)誤差，多次求平均值無(wú)法減小系統(tǒng)誤差，D錯(cuò)誤。故選D。4．利用自由落體“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，下列說(shuō)法正確的是()A．實(shí)驗(yàn)中可以不用天平測(cè)出重物的質(zhì)量B．實(shí)驗(yàn)時(shí)接通電源和釋放紙帶應(yīng)同時(shí)進(jìn)行C．實(shí)驗(yàn)中選用重物的體積越大，實(shí)驗(yàn)誤差一定越小D．實(shí)驗(yàn)中把秒表測(cè)得的時(shí)間代入v＝gt，計(jì)算重錘的速度【答案】A【詳解】A．驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式為：消去質(zhì)量得：所以不需要測(cè)出物體的質(zhì)量，A正確；B．為了充分利用紙帶，應(yīng)先接通電源后釋放紙帶，B錯(cuò)誤；C．重物體積越大，重物所受空氣阻力可能越大，實(shí)驗(yàn)誤差越大，C錯(cuò)誤；D．重錘理論上在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)：代入機(jī)械能守恒定律化解得：說(shuō)明若實(shí)驗(yàn)中把秒表測(cè)得的時(shí)間代入v＝gt，計(jì)算重錘的速度，相當(dāng)于已知機(jī)械能守恒驗(yàn)證機(jī)械能守恒，無(wú)意義，應(yīng)該利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶進(jìn)行計(jì)算速度，D錯(cuò)誤。故選A。5．用圖所示裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)時(shí)，有以下操作，其中不正確的是（填字母）A．將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的兩個(gè)限位孔調(diào)節(jié)到同一豎直線上B．先放手讓紙帶和重物下落，再接通電源開(kāi)關(guān)C．使重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器D．所選擇的紙帶最開(kāi)始兩點(diǎn)間的距離應(yīng)接近2mm【答案】B【詳解】A．將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的兩個(gè)限位孔調(diào)節(jié)到同一豎直線上，可以減小紙帶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力，故A正確，故A項(xiàng)不合題意；BC．手提紙帶應(yīng)使重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，可以提高紙帶使用率，做實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，再釋放紙帶，故B錯(cuò)誤，C正確，B項(xiàng)符合題意，C項(xiàng)不合題意；D．如果為自由落體運(yùn)動(dòng)，則有：知所選擇的紙帶最開(kāi)始兩點(diǎn)間的距離應(yīng)接近2mm，故D正確，D項(xiàng)不合題意．6．《驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》的實(shí)驗(yàn)中，對(duì)自由下落的重物，下述選擇的條件哪種更為有利？（）A．只要有足夠重就可以B．只要體積足夠小就可以C．既要足夠重，又要體積非常小D．應(yīng)該密度大些，還應(yīng)便于夾緊紙帶，使紙帶隨同運(yùn)動(dòng)時(shí)不致扭曲【答案】D【詳解】重物密度大些，相對(duì)阻力的影響小一些，如果重物體積太小，紙帶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易發(fā)生扭曲。故選D?！军c(diǎn)睛】要知道重物帶動(dòng)紙帶下落過(guò)程中能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程和能量守恒。知道能夠減小實(shí)驗(yàn)誤差的方法7．在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，下列釋放紙帶的操作正確的是()A．B．C．D．【答案】A【解析】在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)手提紙帶的末端，使紙帶豎直，讓重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先接通電源，再釋放紙帶，由此可知，A正確；BCD錯(cuò)誤；故選A．8．實(shí)驗(yàn)“用DIS研究機(jī)械能守恒定律”的裝置如圖所示，標(biāo)尺盤中A、B、C、D為擺錘的四個(gè)位置，各點(diǎn)與最低點(diǎn)D的高度差已由計(jì)算機(jī)默認(rèn)。某組同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中，得到的圖象如圖所示。圖象的橫軸表示擺錘距D點(diǎn)的高度h，縱軸表示擺錘的重力勢(shì)能、動(dòng)能或機(jī)械能。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）A．光電門傳感器要分別放在D、C、B點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)操作B．?dāng)[錘每次釋放的高度要保持不變，且必須保證讓擺錘的直徑寬度遮擋紅外發(fā)射孔C．圖線甲表示擺錘的機(jī)械能ED．圖線乙表示擺錘的機(jī)械能【答