高中物理《高中全程學(xué)習(xí)方略》2025版必修第二冊(cè)導(dǎo)學(xué)案第八章　5.實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律含答案

高中物理《高中全程學(xué)習(xí)方略》2025版必修第二冊(cè)導(dǎo)學(xué)案第八章5.實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律含答案5.實(shí)驗(yàn):驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律必備知識(shí)·實(shí)驗(yàn)認(rèn)知一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。2.會(huì)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(或光電門)計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)速度和位移。二、實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、重物(帶紙帶夾)、紙帶(數(shù)條)、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、交流電源。三、實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)物體自由落體的下落高度為h時(shí)速度為v,則物體重力勢(shì)能減少量為mgh,動(dòng)能增加量為12mv2,如果mgh=12mv2,即gh=12關(guān)鍵能力·實(shí)驗(yàn)探究一、實(shí)驗(yàn)步驟1.安裝實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示,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,用導(dǎo)線將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與低壓交流電源相連接。2.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(1)將紙帶的一端用夾子固定在重物上,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,后松開紙帶,讓重物帶著紙帶自由下落,打點(diǎn)結(jié)束后立即關(guān)閉打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電源。(2)更換紙帶重復(fù)做3~5次實(shí)驗(yàn)。3.選取紙帶(分兩種情況)(1)如果根據(jù)mgh=12mv2驗(yàn)證,應(yīng)選點(diǎn)跡清晰、所打點(diǎn)在同一條直線上且第1、2兩點(diǎn)間距離略小于2mm的紙帶。(根據(jù)h=12gt2可知,當(dāng)t=0.02s時(shí)h=1(2)如果根據(jù)mgΔh=12mvB2-1二、數(shù)據(jù)處理1.計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度:如圖乙所示,根據(jù)公式vn=hn+1-h2.驗(yàn)證方案方法一:利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)計(jì)算。算出ghn和12vn2,如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),gh方法二:任取兩點(diǎn)計(jì)算。(1)任取兩點(diǎn)A、B,測(cè)出hAB,算出ghAB。(2)算出12vB(3)在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),如果ghAB=12vB方法三:圖像法。從紙帶上選取多個(gè)點(diǎn),測(cè)量從第一個(gè)點(diǎn)到其余各點(diǎn)的下落高度h,并計(jì)算各點(diǎn)速度的平方v2,然后以12v2為縱軸,以h為橫軸,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出12v2-h圖像。若在誤差允許的范圍內(nèi)圖像是一條過原點(diǎn)且斜率為三、誤差分析誤差來源減小誤差的措施實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)阻力的影響設(shè)法減小阻力打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)安裝穩(wěn)固,限位孔在一豎直線上,減小限位孔與紙帶間的摩擦阻力減小重物體積可減小空氣阻力調(diào)節(jié)重物重力選用密度大的重物,一般用鐵塊實(shí)驗(yàn)操作不當(dāng)調(diào)節(jié)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器注意將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在低壓交流電源上,調(diào)節(jié)好振針的長度,使點(diǎn)跡清晰注意釋放紙帶與接通電源的順序接通電源,待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定后再釋放紙帶選擇紙帶選擇點(diǎn)跡清晰的紙帶,最好是第1點(diǎn)和第2點(diǎn)的間距接近2mm的紙帶測(cè)量誤差h誤差防止分段測(cè)量增大誤差各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下落高度均從起點(diǎn)測(cè)量,不可用累加法,否則將增大誤差v誤差減小相對(duì)誤差用vn=hn+2-hn-2[交流討論]速度能否用vn=gtn或vn=2提示:不能。因?yàn)橹灰J(rèn)為加速度為g,機(jī)械能當(dāng)然守恒,即相當(dāng)于用機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,所以速度應(yīng)從紙帶上直接測(cè)量計(jì)算。同樣的道理,重物下落的高度h,也只能用刻度尺直接測(cè)量,而不能用hn=12gtn2或hn創(chuàng)新典例·深研剖析類型一教材原型實(shí)驗(yàn)【典例1】(2024·福州高一檢測(cè))某實(shí)驗(yàn)小組用自由落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示。實(shí)驗(yàn)中測(cè)出重物自由下落的高度h及對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度v,計(jì)算出重物減少的重力勢(shì)能mgh和增加的動(dòng)能12mv2(1)如圖乙是該實(shí)驗(yàn)小組打出的一條點(diǎn)跡清晰的紙帶,紙帶上的O點(diǎn)是起始點(diǎn),選取紙帶上連續(xù)的計(jì)時(shí)點(diǎn)分別標(biāo)為A、B、C、D,并測(cè)出各計(jì)時(shí)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的電源是頻率為50Hz的交流電,重物的質(zhì)量為1.00kg,則從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下點(diǎn)O到打下點(diǎn)C的過程中,重物減少的重力勢(shì)能ΔEp=4.28J;重物增加的動(dòng)能ΔEk=4.23J,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=9.8m/s2。(計(jì)算結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)

【解析】(1)從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下點(diǎn)O到打下點(diǎn)C的過程中,重物減少的重力勢(shì)能ΔEp=mghOC=1.00×9.8×43.65×10-2J≈4.28J,由于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的電源是頻率為50Hz的交流電,故相鄰計(jì)時(shí)點(diǎn)的時(shí)間間隔為T=1f=0.由于C點(diǎn)為BD的中間位置,因此打C點(diǎn)的速度為BD段的平均速度vC=hBD2T=49重物增加的動(dòng)能ΔEk=12mvC2=12×1.00×2(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)選用密度稍大的重物,這樣做能減小誤差的主要原因是減小空氣阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

【解析】(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)選用密度稍大的重物,這樣做能減小誤差的主要原因是減小空氣阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。答案:(1)4.284.23(2)減小空氣阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響類型二創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)【典例2】(2024·長沙高一檢測(cè))某同學(xué)應(yīng)用如圖所示的裝置測(cè)重力加速度。所用器材:鐵架臺(tái)、釋放裝置、小球、光電門(含數(shù)字計(jì)時(shí)器)、刻度尺及軟墊等。(1)現(xiàn)有如下材質(zhì)的小球,實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)選用C(填字母)。

A.橡膠球B.木球C.鋼球【解析】(1)為確保小球做自由落體運(yùn)動(dòng),減小阻力對(duì)小球的影響,應(yīng)選用密度大的鋼球。故選C。(2)實(shí)驗(yàn)步驟如下:①用游標(biāo)卡尺測(cè)出小球的直徑d。②按圖示裝置安裝好器材。③實(shí)驗(yàn)時(shí),應(yīng)B(填字母)。

A.先釋放小球,后接通數(shù)字計(jì)時(shí)器B.先接通數(shù)字計(jì)時(shí)器,后釋放小球④小球由靜止釋放,使小球的球心剛好通過光電門,數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄小球通過光電門的時(shí)間為t,則小球通過光電門時(shí)的速度v=

dt,用刻度尺測(cè)出小球下落到光電門的高度h⑤改變光電門的位置,重復(fù)實(shí)驗(yàn),計(jì)算出小球的速度v1、v2、v3…vn及測(cè)出小球下落的對(duì)應(yīng)高度h1、h2、h3…h(huán)n。⑥以v2(選填“v”“v2”或“v”)為縱坐標(biāo),以h為橫坐標(biāo),作出的圖像為一條直線。

⑦若圖像的斜率為k,則小球運(yùn)動(dòng)的加速度g=

k2【解析】(2)③實(shí)驗(yàn)時(shí),小球下落時(shí)間很短,若先釋放小球,可能出現(xiàn)時(shí)間記錄不完整,所以先接通數(shù)字計(jì)時(shí)器,后釋放小球,故選B。④小球通過光電門時(shí)的速度v=dt⑥根據(jù)自由落體速度與位移公式v2=2gh,以v2為縱坐標(biāo),以h為橫坐標(biāo),作出的圖像為一條直線。⑦根據(jù)k=2g,小球運(yùn)動(dòng)的加速度g=k2答案:(1)C(2)③B④dt⑥v2⑦[創(chuàng)新角度]本題屬于不變裝置變目的實(shí)驗(yàn)考查,裝置是驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的裝置,但實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖强疾橹亓铀俣鹊臏y(cè)量。【典例3】(2024·南陽高一檢測(cè))某同學(xué)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,將拉力傳感器固定在天花板上,一條不可伸長的輕質(zhì)細(xì)繩上端固定在傳感器的掛鉤上,下端連接可視為質(zhì)點(diǎn)的小球,在小球下方有一水平桌面,調(diào)整桌面高度,使小球靜止時(shí)恰好與桌面不接觸,如圖所示。實(shí)驗(yàn)操作步驟如下:(ⅰ)實(shí)驗(yàn)時(shí)讓小球靜止,量出細(xì)繩的長度為L,讀出此時(shí)拉力傳感器的示數(shù)F1;(ⅱ)將小球拉離最低點(diǎn)到某位置,測(cè)出此位置到桌面的高度h,由靜止釋放小球,讀出拉力傳感器示數(shù)的最大值F2;(ⅲ)計(jì)算出F2F1,然后重復(fù)(ⅱ)步驟測(cè)得多組F2F1和對(duì)應(yīng)的根據(jù)以上過程,回答下面問題:(1)若小球質(zhì)量為m,則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮?/p>

F1m【解析】(1)小球靜止時(shí),拉力傳感器的示數(shù)為F1,則有F1=mg,可得,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣却笮間=F1(2)若F2F1和h滿足關(guān)系式

F2F1【解析】(2)小球由靜止釋放到回到最低點(diǎn)時(shí),根據(jù)牛頓第二定律有F2-mg=mv又F1=mg則小球回到最低點(diǎn)時(shí)增加的動(dòng)能為Ek=12mv2=12(F2-F1小球釋放后回到最低點(diǎn)時(shí)減少的重力勢(shì)能為Ep=mgh=F1h若此過程中,小球減少的重力勢(shì)能等于其增加的動(dòng)能,則機(jī)械能守恒,即有12(F2-F1)L=F1整理可得F2F1=所以若F2F1和h滿足關(guān)系式F2(3)若改變小球質(zhì)量(仍可看作質(zhì)點(diǎn)),不改變繩長,則作出F2F1-h圖像【解析】(3)由F2F1=2Lh+1可知,作出的F2F1答案:(1)F1m(2)F2F1=[創(chuàng)新角度]本題屬于不變實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖儗?shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)考查,借用向心力公式求最低點(diǎn)的動(dòng)能是本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)。第八章機(jī)械能守恒定律大單元·初高銜接機(jī)械能初高中都進(jìn)行了講解,初中側(cè)重定性研究,高中側(cè)重定量研究,初中講特例,高中講通式,具體分析如下:知識(shí)點(diǎn)初中要求高中要求功認(rèn)識(shí)功的概念理解功功率知道功率,用生活中實(shí)例說明功率的含義理解功率,了解生產(chǎn)生活中常見機(jī)械的功率大小及其意義動(dòng)能知道動(dòng)能跟哪些因素有關(guān),不需要定量計(jì)算動(dòng)能的值理解動(dòng)能和動(dòng)能定理,能用動(dòng)能定理解釋生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象重力勢(shì)能知道重力勢(shì)能跟哪些因素有關(guān),不需要定量計(jì)算重力勢(shì)能的值,了解重力勢(shì)能和動(dòng)能