新教材同步系列2024春高中物理第八章機(jī)械能守恒定律5實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律課件新人教版必修第二冊(cè)

第八章機(jī)械能守恒定律5實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)法指導(dǎo)1．能夠提出可驗(yàn)證的物理問題，會(huì)使用實(shí)驗(yàn)器材完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)2．能根據(jù)數(shù)據(jù)形成結(jié)論，會(huì)分析產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因3．能撰寫符合要求的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，能與他人交流探究過程和結(jié)果4．注重提升科學(xué)推理與科學(xué)論證能力1．通過認(rèn)真閱讀教材，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模斫鈱?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路2．通過“探究自由下落物體的機(jī)械能”和“探究沿斜面下滑物體的機(jī)械能”實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)驗(yàn)方法3．通過誤差分析，掌握減小實(shí)驗(yàn)誤差的方法，并能創(chuàng)新設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)知識(shí)導(dǎo)圖課前·

自主預(yù)習(xí)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證機(jī)械能守恒定律．二、實(shí)驗(yàn)思路機(jī)械能守恒的前提是“只有重力或彈力做功”，因此可用小球自由落體的過程、物體沿光滑斜面下滑的過程和細(xì)線懸掛小球擺動(dòng)的過程來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．三、物理量的測(cè)量利用天平、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電源、紙帶、復(fù)寫紙、重物、刻度尺、帶有鐵夾的鐵架臺(tái)、導(dǎo)線等，測(cè)量物體的質(zhì)量、下降的高度及運(yùn)動(dòng)的速度．四、實(shí)驗(yàn)步驟1．安裝：將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上；用導(dǎo)線將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與低壓交流電源相連接．2．接電源，打點(diǎn)：把紙帶的一端在重物上用夾子固定好，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手提著紙帶使重物停靠在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近．接通電源，待打點(diǎn)穩(wěn)定后松開紙帶，讓重物自由下落．重復(fù)幾次，打下3～5條紙帶．3．選紙帶：選取點(diǎn)跡較為清晰的紙帶，挑選紙帶上第一個(gè)點(diǎn)及距離第一個(gè)點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)，并依次標(biāo)上O、A、B、C、…4．?dāng)?shù)據(jù)測(cè)量：測(cè)出點(diǎn)O到點(diǎn)A、點(diǎn)B、點(diǎn)C、……的距離，即為對(duì)應(yīng)的下落高度h1、h2、h3、…六、注意事項(xiàng)1．安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，必須使兩個(gè)限位孔在同一豎直線上，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，可使空氣阻力減小．3．實(shí)驗(yàn)時(shí)必須保持提起的紙帶豎直，手不動(dòng)．接通電源后，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定后再松開紙帶，以保證第一點(diǎn)是一個(gè)清晰的點(diǎn)．七、誤差分析1．本實(shí)驗(yàn)的誤差主要來自空氣阻力及紙帶和計(jì)時(shí)器限位孔之間的摩擦，故重力勢(shì)能的減少量應(yīng)等于動(dòng)能增加量和克服阻力做功之和，所以動(dòng)能的增加量應(yīng)略小于重力勢(shì)能的減少量．2．偶然誤差．測(cè)量長度時(shí)會(huì)帶來誤差，減小誤差的辦法是：(1)測(cè)距離時(shí)都應(yīng)從打第一個(gè)點(diǎn)(O點(diǎn))量起．(2)多測(cè)幾次取平均值．3．系統(tǒng)誤差．實(shí)驗(yàn)中重物和紙帶下落過程中要克服阻力(主要是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的阻力)做功，故動(dòng)能的增加量ΔEk必定稍小于重力勢(shì)能的減少量ΔEp，減小誤差的辦法是：(1)增大重物的質(zhì)量；(2)減小器材摩擦，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器換成電火花計(jì)時(shí)器．課堂·

重難探究例1

用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．實(shí)驗(yàn)所用的電源為學(xué)生電源，輸出電壓有6V的交流電和直流電兩種，重物從高處由靜止開始下落，重物拖著紙帶通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出一系列的點(diǎn)．對(duì)紙帶上的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．實(shí)驗(yàn)原理和過程(1)下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)操作步驟：A．按照?qǐng)D示的裝置安裝器材；B．將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的直流輸出端上；C．用天平測(cè)出重物的質(zhì)量；D．釋放紙帶，同時(shí)接通電源開關(guān)打出一條紙帶；E．測(cè)量打出的紙帶上某些點(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重力勢(shì)能是否等于增加的動(dòng)能．其中沒有必要進(jìn)行或者操作錯(cuò)誤的步驟是______．(將其選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的字母填在橫線處)【答案】(1)BCD

(2)過原點(diǎn)的傾斜直線重力加速度g變式1

(2023年浙江學(xué)業(yè)考試)在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中：(1)3位同學(xué)選用圖甲所示的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，則應(yīng)按__________(填“乙”“丙”或“丁”)同學(xué)的方法連接電源．(2)釋放紙帶前，正確的操作方式是______．(3)本實(shí)驗(yàn)中，下列說法正確的是________.A．可選用木質(zhì)重物作為研究對(duì)象B．安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，應(yīng)使兩個(gè)限位孔處于同一條直線上C．重物的質(zhì)量可以不測(cè)量D．可以根據(jù)v＝gt來計(jì)算重物在t時(shí)刻的瞬時(shí)速度【答案】(1)丙(2)

C

(3)BC【解析】(1)圖甲所示的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器為電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，工作電壓為交變電壓4～6V，所以選擇圖丙所示的方法連接電源．(2)釋放紙帶前，用手提著紙帶，使重物靜止在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器下方，讓重物緊靠著打點(diǎn)計(jì)時(shí)器下方，且紙帶要足夠長，A、B、D錯(cuò)誤，C正確．(3)木質(zhì)重物的密度較小，所受到的空氣阻力較大，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成很大的誤差，故不選用木制重物作為研究對(duì)象，A錯(cuò)誤；安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，應(yīng)使兩個(gè)限位孔處于同一條直線上，B正確；重物的質(zhì)量可以不測(cè)，C正確；計(jì)算重物在t時(shí)刻的瞬時(shí)速度是根據(jù)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于這段時(shí)間的平均速度來計(jì)算的，D錯(cuò)誤．例2

某同學(xué)用圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，其中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源為交流電源，可以使用的頻率有20Hz、30Hz和40Hz.打出紙帶的一部分如圖乙所示．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和誤差分析該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中沒有記錄交流電的頻率f，需要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他題給條件進(jìn)行推算．(1)若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落．利用f和圖乙中給出的物理量可以寫出：在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出B點(diǎn)時(shí)，重物下落的速度大小為____________.打出C點(diǎn)時(shí)重物下落的速度大小為____________，重物下落的加速度大小為____________．(2)已測(cè)得s1＝8.89cm，s2＝9.50cm，s3＝10.10cm；當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮?.80m/s2，實(shí)驗(yàn)中重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%.由此推算出頻率f為________Hz.變式2

(2023年廣州天河期末)利用重物自由下落驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置，讓重物從高處由靜止開始下落，拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)痕進(jìn)行測(cè)量，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．(1)下列有關(guān)實(shí)驗(yàn)過程的要求，說法正確的是________．A．將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，保證打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的兩個(gè)限位孔在同一條豎直線上B．把紙帶的一端固定到重物上，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手提著紙帶上端并將下端的重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先接通直流電源再釋放紙帶C．打出多條紙帶，選擇點(diǎn)跡清晰且第1、2點(diǎn)間的距離接近4mm的紙帶進(jìn)行處理D．該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)不需要用天平稱出重物的質(zhì)量(2)該同學(xué)按圖甲所示，正確安裝實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，從打出的紙帶中選出符合要求的紙帶進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)如圖乙所示．圖中O點(diǎn)為打點(diǎn)起始點(diǎn)，且速度為0.若已知重物質(zhì)量m＝1kg，圖中相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.04s，從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下起點(diǎn)O到打下C點(diǎn)的過程中，重物重力勢(shì)能的減少量ΔEp＝________J，此過程中重物動(dòng)能的增加量ΔEk＝________J，由此可得到：在誤差允許的范圍內(nèi)，重物自由下落過程中的機(jī)械能守恒(g取10m/s2，計(jì)算結(jié)果均保留四位有效數(shù)字).經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)重力勢(shì)能的減小量總是稍大于動(dòng)能的增加量，其原因是__________________________．【答案】(1)AD

(2)3.250

3.125重物下落過程中存在阻力作用例3

(2023年中山期中)如圖所示，某實(shí)驗(yàn)小組在實(shí)驗(yàn)室中利用水平氣墊導(dǎo)軌和兩個(gè)光電門計(jì)時(shí)器A和B驗(yàn)證質(zhì)量為M的滑塊(含遮光條)和質(zhì)量為m的鉤碼組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒.氣墊導(dǎo)軌和光電計(jì)時(shí)器的使用已知遮光條的寬度為d，先后通過A、B光電門的時(shí)間分別為Δt1、Δt2，光電門A、B之間的距離為s.滑塊運(yùn)動(dòng)通過光電門B時(shí)，鉤碼未落地．(重力加速度為g)(1)實(shí)驗(yàn)中需要用到的器材有__________(填選項(xiàng)前的字母).A．天平B．刻度尺C．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器

D．秒表E．彈簧測(cè)力計(jì)(2)滑塊通過A光電門時(shí)的瞬時(shí)速度的表達(dá)式為v1＝________(用題中給定字母表示)(3)驗(yàn)證本系統(tǒng)機(jī)械能守恒的表達(dá)式為________________________(用已知量和能直接測(cè)量的量表示).變式3

(2023年惠州名校質(zhì)檢)某同學(xué)設(shè)計(jì)出如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置來“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”，讓小鋼球從A點(diǎn)自由下落，下落過程中經(jīng)過正下方的光電門B時(shí)，光電計(jì)時(shí)器記錄下小鋼球通過光電門的時(shí)間為t，已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間.(1)先用長度測(cè)量工具測(cè)出鋼球的直徑為d.(2)為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，該實(shí)驗(yàn)還需要測(cè)量下列哪個(gè)物理量________(填選項(xiàng)前的字母).A．小球的質(zhì)量m B．A、B之間的距離H(3)小球通過光電門時(shí)的瞬時(shí)速度大小v＝________(用題中所給物理量的符號(hào)表示).(4)上述實(shí)驗(yàn)滿足關(guān)系式______________時(shí)(用題目和上面問題中的物理量符號(hào)表示)，則可驗(yàn)證小球在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能守恒．(5)該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，小球減少的重力勢(shì)能總是略大于增加的動(dòng)能，可能的原因是____________________________________．(1)分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證滑塊和鉤碼組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒．(2)確定實(shí)驗(yàn)原理：滑塊與氣墊導(dǎo)軌的摩擦不計(jì)，滑塊和鉤碼組成的系統(tǒng)，只有鉤碼重力做功，系統(tǒng)機(jī)械能守恒．小練·

隨堂鞏固1．(多選)(2023年廣州七中期中)利用如圖所示的裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)．本實(shí)驗(yàn)操作正確的是

(

)A．選擇大小合適的鐵質(zhì)重錘B．選擇體積較大的木質(zhì)重錘C．打點(diǎn)時(shí)，應(yīng)讓重錘靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先釋放紙帶，再打開電源D．選紙帶時(shí)，應(yīng)選點(diǎn)跡清晰且第一、二兩點(diǎn)間的距離接近2mm的紙帶【答案】AD【解析】為使重錘近似做自由落體運(yùn)動(dòng)，應(yīng)選擇體積較小、質(zhì)量較大的鐵質(zhì)重錘，A正確，B錯(cuò)誤；打點(diǎn)時(shí)，為有充分的打點(diǎn)距離，應(yīng)讓重錘靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器．釋放重錘時(shí)，應(yīng)先打開電源，后釋放重錘，C錯(cuò)誤；紙帶點(diǎn)跡應(yīng)清晰，第一、二兩點(diǎn)間距離接近2mm時(shí)，說明打下的第一個(gè)點(diǎn)的速度為零，D正確．2．(2021年江蘇學(xué)業(yè)考試)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示．下列說法中正確的是

(

)A．重物應(yīng)選用密度大的物體B．開始時(shí)，應(yīng)使重物遠(yuǎn)離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器C．必須用天平測(cè)出重物的質(zhì)量D．需要用秒表測(cè)出重物下落的時(shí)間【答案】A【解析】重物應(yīng)選用密度大的物體，減小空氣阻力的影響，A正確；開始時(shí)，應(yīng)使重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，以便更充分利用紙帶，B錯(cuò)誤；驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，即驗(yàn)證動(dòng)能的增加量和重力勢(shì)能的減小量是否相等，表達(dá)式的兩邊都有質(zhì)量，可以約去，所以實(shí)驗(yàn)中不需要用天平測(cè)量質(zhì)量，C錯(cuò)誤；由于是用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，不必測(cè)時(shí)間，D錯(cuò)誤．3．(多選)如圖所示，用DIS實(shí)驗(yàn)研究機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，用光電門測(cè)定擺錘在某一位置的瞬時(shí)速度．實(shí)驗(yàn)測(cè)得D點(diǎn)的速度偏小，造成這個(gè)誤差的原因可能是 (

)A．?dāng)[錘釋放的位置高于A點(diǎn)B．?dāng)[錘釋放的位置在A、B之間C．?dāng)[錘在A點(diǎn)沒有靜止釋放D．光電門沒有放在D點(diǎn)【答案】BD【解析】若實(shí)驗(yàn)測(cè)得D點(diǎn)的機(jī)械能明顯偏小，說明重錘低于A點(diǎn)才開始靜止釋放的，或未到D點(diǎn)就開始測(cè)速度，因此不是重力勢(shì)能偏小，就是動(dòng)能偏小，B、D正確．4．利用如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．通過電磁鐵控制的小鐵球從A點(diǎn)自由下落，下落過程中小鐵球經(jīng)過光電門B時(shí)，毫秒計(jì)時(shí)器(圖中未畫出)記錄下小鐵球的擋光時(shí)間t.實(shí)驗(yàn)前調(diào)整光電門位置，使小鐵球下落過程中，小鐵球球心垂直細(xì)激光束通過光電門，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間.(1)為了驗(yàn)證小鐵球下落過程中機(jī)械能是否守恒，還需要測(cè)量的物理量是________.A．A點(diǎn)距地面的高度HB．A、B之間的距離hC．小鐵球從A到B