2024-2025學(xué)年新教材高中物理第八章機械能守恒定律第5節(jié)實驗驗證機械能守恒定律學(xué)案新人教版必修2

PAGE1-第5節(jié)試驗:驗證機械能守恒定律學(xué)習(xí)目標(biāo)1.明確驗證機械能守恒定律試驗的目的、原理,駕馭試驗的操作方法與技巧。2.駕馭勻變速直線運動瞬時速度的計算方法。3.會利用物體的自由落體運動、物體在斜面和氣墊導(dǎo)軌上的運動驗證機械能守恒定律。自主預(yù)習(xí)1.機械能:和統(tǒng)稱為機械能,其中勢能包括和。

2.機械能守恒定律(1)內(nèi)容:在只有做功的物體系統(tǒng)內(nèi),動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化,而總的機械能。

(2)機械能守恒的條件:。

3.表達(dá)式(1)能量守恒角度:

(2)能量轉(zhuǎn)化角度:ΔEk=-ΔEp(3)能量轉(zhuǎn)移角度:ΔEA=-ΔEB4.通過視察生活、查閱資料,請同學(xué)們通過小組合作的方式設(shè)計試驗方案,必要時可以向試驗室老師尋求幫助。課堂探究1.生活中常見的哪些運動符合機械能守恒定律?2.PPT所示實例中,采納哪種驗證機械能守恒定律較易操作?案例一:探討自由下落物體的機械能一、試驗原理1.做自由落體運動的物體,其重力勢能與動能相互轉(zhuǎn)化。若重力勢能的削減量和相應(yīng)過程動能的增加量相等,機械能守恒。若利用紙帶第一個點,表達(dá)式為:。

若利用紙帶中間段計數(shù)點,表達(dá)式為:。

2.測量速度:做勻變速運動的紙帶上某點的瞬時速度等于相鄰兩點之間的平均速度=。計算第n個點速度的方法:測出第n個點與相鄰前后點之間的距離xn和xn+1,vn=

二、數(shù)據(jù)處理1.方法一:利用起始點和第n點計算。代入ghn和,假如在試驗誤差允許范圍內(nèi),,則驗證了機械能守恒定律。

2.方法二:任取兩點計算。任取兩點A、B測出hAB,算出ghAB和-的值。在試驗誤差允許范圍內(nèi),若,則驗證機械能守恒定律。

3.方法三:圖像法從紙帶上選取多個點,測量從第一個點到其余各點的下落高度h,并計算各點速度的平方v2,然后以v2為縱軸,以h為橫軸,依據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪出v2-h圖線。在誤差允許范圍內(nèi)圖像是一條過原點且斜率為的直線,則驗證了機械能守恒定律。

[例題展示]【例題1】某位同學(xué)做“驗證機械能守恒定律”的試驗,下列操作步驟中錯誤的是()A.把打點計時器固定在鐵架臺上,用導(dǎo)線連接到低壓溝通電源B.將連有重錘的紙帶穿過限位孔,將紙帶和重錘提升到肯定高度C.先釋放紙帶,再接通電源D.更換紙帶,重復(fù)試驗,依據(jù)記錄處理數(shù)據(jù)【例題2】如圖所示裝置,采納重物自由下落的方法做“驗證機械能守恒定律”的試驗。(1)圖中打點計時器的工作電壓是()A.交變電流4~6V B.直流電4~6V C.交變電流220V D.直流電220V(2)已知打點計時器所用電源的頻率為50Hz,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭取9.80m/s2,所用重物的質(zhì)量為200g。試驗中選取一條符合試驗要求的紙帶如圖所示,O為紙帶下落的起始點,A、B、C為紙帶上選取的三個連續(xù)點。計算B點瞬時速度時,甲同學(xué)用=2gxOB,乙同學(xué)用vB=,其中所選方法正確的是(選填“甲”或“乙”)同學(xué);依據(jù)以上數(shù)據(jù),可知重物由O運動到B點時動能的增加量等于J,重力勢能削減量等于J(計算結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)。

[思索與探討]1.試驗中,發(fā)覺重錘削減的勢能總是大于重錘增加的動能,造成這種現(xiàn)象的主要緣由是什么?2.除了打點計時器,還可以用哪些試驗儀器探討自由落體運動中的機械能守恒問題?案例二:探討沿光滑斜面下滑的物體的機械能一、試驗原理滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑,重力勢能減小,動能增大。若重力勢能的削減量和動能的增加量相等,機械能守恒。表達(dá)式:。

二、數(shù)據(jù)處理代數(shù)計算。代入gΔh和-,假如在試驗誤差允許范圍內(nèi),若,則驗證機械能守恒定律。

[例題展示]【例題3】某試驗小組利用如圖裝置來驗證機械能守恒定律。在氣墊導(dǎo)軌上固定兩個光電門,光電門連接數(shù)字毫秒計,滑塊上固定寬度為d遮光條。把導(dǎo)軌的右端墊高,測出傾角為θ,已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間。(1)試驗時,將滑塊從某處由靜止釋放,若測得滑塊遮光條通過某光電門的時間Δt,則滑塊通過光電門的瞬時速度。

(2)若通過光電門1和2的速度分別為v1和v2,還須要測量(并給這個物理量給予字母),滿意表達(dá)式,說明機械能守恒。

[變式訓(xùn)練]某活動小組利用如圖所示的試驗裝置驗證機械能守恒定律。將氣墊導(dǎo)軌調(diào)整水平后在上面放上A、B兩個光電門,滑塊通過一根細(xì)線與小盤相連。測得小盤和砝碼的總質(zhì)量m,質(zhì)量為M的滑塊上固定的擋光片寬度為d。試驗中,靜止釋放滑塊后測得滑塊通過光電門A的時間為ΔtA,通過光電門B的時間為ΔtB。(1)試驗中,該同學(xué)還須要測量;

(2)試驗測得的這些物理量若滿意表達(dá)式:,即可驗證系統(tǒng)機械能守恒。(用試驗中所測物理量相應(yīng)字母表示)

[課堂練習(xí)]1.用如圖甲所示裝置,利用自由落體運動可以驗證機械能守恒定律。(1)在試驗中,除鐵架臺、夾子、紙帶、打點計時器和重物外,還必需運用的器材。

A.天平 B.停表 C.彈簧測力計 D.刻度尺(2)設(shè)重錘質(zhì)量為m,打點計時器的打點周期為T,重力加速度為g,圖乙是試驗得到的一條紙帶,A、B、C、D、E為相鄰的連續(xù)點。依據(jù)測得的x1、x2、x3、x4,寫出重錘由B點到D點勢能削減量的表達(dá)式,動能增量的表達(dá)式。

甲乙(3)由于重錘下落時要克服阻力做功,故該試驗的動能增量總是(選填“大于”“等于”或“小于”)重力勢能的削減量。

2.某小組同學(xué)用簡易裝置驗證機械能守恒定律,他們找來一塊平整且比較光滑的木板,從試驗室借來打點計時器、刻度尺、小車和紙帶.他們把木板搭在臺階上。如圖甲安裝好試驗器材,得到如圖乙所示的一條紙帶。甲乙(1)在驗證機械能是否守恒時,還須要測量臺階的高度h和木板的長度L,已知紙帶上相鄰兩計數(shù)點之間的時間間隔為T,依據(jù)紙帶上MN兩點間的數(shù)據(jù),該組同學(xué)須要驗證的機械能守恒的表達(dá)式為。(用題中所給物理量的字母表示)

(2)在該試驗中下列說法正確的是。

A.該試驗中先接通電源,后釋放小車B.由于摩擦力對試驗結(jié)果有影響,所以把木板搭在臺階上是為了平衡摩擦C.由于阻力的存在,該試驗中小車增加的動能肯定小于小車削減的重力勢能D.在該試驗中還須要用天平測量小車的質(zhì)量3.某物理愛好小組發(fā)覺干脆利用“落體法”進(jìn)行驗證機械能守恒定律試驗時,由于物體下落太快,試驗現(xiàn)象稍縱即逝。為了讓試驗時間得以適當(dāng)延長,設(shè)計了如圖甲所示的試驗方案,把質(zhì)量分別為m1、m2(m1>m2)的兩物體通過一根跨過定滑輪(質(zhì)量可忽視)的細(xì)線相連接,m2的下方連接在穿過打點計時器的紙帶上。首先在外力的作用下兩物體保持靜止,開啟打點計時器,穩(wěn)定后釋放m1和m2。甲乙(1)為了完成試驗,須要的測量工具除了天平,還需。

(2)如圖乙是一條較為志向的紙帶,O點是打點計時器打下的第一個點,計數(shù)點間的距離如圖乙所示。兩相鄰計數(shù)點間時間間隔為T,重力加速度為g(題中全部物理量符號都用國際單位)。①在紙帶上打下記數(shù)點“5”時物體的速度v5=(用題給物理量符號表示);

②在打計數(shù)點“O”到打計數(shù)點“5”過程中,m1、m2系統(tǒng)重力勢能的削減量ΔEp=(用題給物理量符號表示),再求出此過程中系統(tǒng)動能的增加量,即可驗證系統(tǒng)機械能是否守恒。

核心素養(yǎng)專練1.某試驗小組的學(xué)生們?yōu)樘骄俊皺C械能守恒定律”設(shè)計了如圖所示的試驗裝置:用一個電磁鐵吸住一個質(zhì)量為m,直徑為d的小鐵球;當(dāng)將電磁鐵斷電后,小鐵球由靜止起先向下加速運動;小鐵球經(jīng)過光電門時,計時裝置將記錄其通過光電門的時間t。小鐵球由靜止起先下降至光電門時的高度h,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間,那么(1)小鐵球通過光電門的速度v=(用d、t表示);

(2)驗證此過程小鐵球機械能守恒定律的表達(dá)式;

(3)考慮小鐵球在運動過程中受到阻力的因素,其重力勢能削減量(選填“大于”“等于”或“小于”)動能的增加量。

2.(1)如圖1所示的試驗裝置:圖1為驗證機械能是否守恒,須要比較重物下落過程中隨意兩點間的。

A.動能變更量與勢能變更量B.速度變更量與勢能變更量C.速度變更量與高度變更量(2)除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(含鐵夾)、打點計時器、導(dǎo)線及開關(guān)外,在下列器材中,必需運用的器材是。

A.溝通電源 B.停表C.天平(含砝碼) D.刻度尺(3)試驗中,先接通電源,再釋放重物,得到下圖2所示的一條紙帶。在紙帶上選取三個連續(xù)打出的A,B,C,測得起始點O至B點的距離為h,AB之間的距離為x1,BC之間的距離為x2。已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,打點計時器打點的周期為T。設(shè)重物的質(zhì)量為m。從打O點到打B點的過程中,重物的重力勢能變更量ΔEp=,動能變更量ΔEk=。

圖2(4)大多數(shù)學(xué)生的試驗結(jié)果顯示,重力勢能的削減量大于動能的增加量,緣由是。

A.利用公式vgt計算重物速度B.利用公式v=計算重物速度C.存在空氣阻力和摩擦阻力的影響D.沒有采納多次試驗取平均值的方法(5)利用上述裝置獲得一條紙帶,在紙帶上選取多個計數(shù)點,測量它們到起始點O的距離為h,計算對應(yīng)計數(shù)點的重物速度為v,若重物下落過程中受到的阻力恒為f,下列描繪的v2-h圖像正確的是。

A. B.C. D.圖33.某愛好小組為驗證機械能守恒定律,設(shè)計了如圖甲所示的試驗裝置:氣墊導(dǎo)軌固定放置在傾角為θ的斜面上,并調(diào)整導(dǎo)軌與斜面平行。帶遮光條的滑塊通過伸直的細(xì)線與鉤碼拴在一起靜止在導(dǎo)軌上。測出滑塊到光電門的距離L,利用游標(biāo)卡尺測出遮光條的寬度d,結(jié)果如圖乙所示。氣墊導(dǎo)軌充氣后,鉤碼豎直向下運動,滑塊沿氣墊導(dǎo)軌向上運動,遮光條經(jīng)過光電門的擋光時間為Δt。甲乙(1)由圖乙知遮光條的寬度為mm。

(2)若要驗證鉤碼和帶有遮光條的滑塊組成的系統(tǒng)機械能守恒,還須要測量的物理量是。

A.鉤碼的總質(zhì)量mB.帶有遮光條的滑塊的總質(zhì)量MC.滑塊由靜止滑到光電門的時間tD.測出滑塊和鉤碼之間繩子的長度s(3)用題目和第(2)問涉及的字母寫出鉤碼機械能的削減量ΔEA=?；瑝K機械能增加量ΔEB=試驗過程中,若在誤差允許的范圍內(nèi),ΔEA=ΔEB。則驗證了系統(tǒng)機械能守恒。

(4)變更滑塊釋放的初始位置,得出多組數(shù)據(jù),畫出-L圖像,則圖像的斜率k=。

4.某試驗小組用如圖甲所示的試驗裝置驗證機械能守恒定律。將一鋼球用細(xì)線系住懸掛在鐵架臺上,鋼球靜止于A點。在鋼球底部豎直地粘住一片寬度為d的遮光條。在A的正下方固定一光電門。將鋼球拉至不同位置由靜止釋放,遮光條經(jīng)過光電門的擋光時間t可由計時器測出,取v=作為鋼球經(jīng)過A點時的瞬時速度。記錄鋼球每次下落的高度h和計時器示數(shù)t,計算并比較鋼球在釋放點和A點之間重力勢能的變更大小ΔEp與動能的變更大小ΔEk,就能驗證機械能是否守恒。甲乙(1)用ΔEk=mv2計算鋼球動能變更量的大小,用刻度尺測量遮光條寬度,示數(shù)如圖乙所示,其讀數(shù)為cm。某次測量中,計時器的示數(shù)為0.0100s,則鋼球經(jīng)過A時的速度v=m/s(保留三位有效數(shù)字)。

(2)下表為該試驗小組的試驗結(jié)果:ΔEp(×10-2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk(×10-2J)5.0410.115.120.029.8從表中發(fā)覺ΔEp與ΔEk之間存在差異,可能造成該差異的緣由是。

A.用ΔEk=mgh計算鋼球重力勢能的變更大小時,鋼球下落高度h為測量釋放時鋼球球心到球在A點時底端之間的豎直距離B.鋼球下落過程中存在空氣阻力C.試驗中所求速度是遮光條的速度,比鋼球速度略大參考答案自主預(yù)習(xí)1.動能勢能彈性勢能重力勢能2.(1)重力或彈力保持不變(2)只有重力或彈力做功3.(1)E初=E末課堂探究案例一一、1.mghn=mm-m=mgΔh2.二、1.ghn=2.ghAB=-3.g例題1例題分析:A、電磁打點計時器運用低壓溝通電源,所以試驗時把電磁打點計時器固定在鐵架臺上,用導(dǎo)線連接低壓溝通電源,所以A選項是正確的B、固定好打點計時器將連有重物的紙帶穿過限位孔用手提住將紙帶和重錘提升到肯定高度,盡量靠近打點計時器,所以B選項是正確的;C、應(yīng)先接通電源然后釋放重物否則紙帶起先階段是空白,可能導(dǎo)致所采集的數(shù)據(jù)不夠,而且奢侈紙帶,故C錯誤;D、重復(fù)幾次,取得幾條打點紙帶選擇一條清晰的紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,所以D選項是正確的。本題選錯誤的,所以C選項是正確。答案C[例題2]例題分析:(1)打點計時器的工作電壓是交變電流4~6V,故選A;(2)計算B點瞬時速度時,若按甲同學(xué)的方法用=2gxOB,即認(rèn)為紙帶下落的加速度為g,則不須要計算速度vB的值也會有:=mgxOB,故甲的數(shù)據(jù)處理方法錯誤;應(yīng)當(dāng)選用乙同學(xué)的:某段