2022-2023學(xué)年人教版（2019）必修第二冊 8.5實驗：驗證機械能守恒定律 學(xué)案（含答案）

2022-2023學(xué)年人教版（2019）必修第二冊8.5實驗：驗證機械能守恒定律學(xué)案（含答案）【素養(yǎng)目標(biāo)】1．會用打點計時器打下的紙帶計算物體的運動速度和位移．2．探究自由落體運動物體的機械能守恒．【必備知識】知識點一、實驗原理讓物體自由下落，在忽略阻力的情況下，探究物體的機械能守恒，有兩種方案探究物體的機械能守恒：1．以物體下落的起始點O為基準(zhǔn)，測出物體下落高度h時的速度大小v，若eq\f(1,2)mv2＝mgh成立，則可驗證物體的機械能守恒．2．測出物體下落高度h過程的初、末時刻的速度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，則物體的機械能守恒．知識點二、實驗器材鐵架臺(帶鐵夾)、電磁打點計時器、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.知識點三、實驗步驟1．安裝置：按圖將檢查、調(diào)整好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上，接好電路．2．打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地方．先接通電源，后松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落．更換紙帶重復(fù)做3～5次實驗．3．選紙帶：選取點跡較為清晰且有1、2兩點間的距離約為2mm的紙帶，把紙帶上打出的兩點間的距離為2mm的第一個點作為起始點，記作O，在距離O點較遠(yuǎn)處再依次選出計數(shù)點1、2、3…4．測距離：用刻度尺測出O點到1、2、3…的距離，即為對應(yīng)下落的高度h1、h2、h3…知識點四、數(shù)據(jù)處理1．計算各點對應(yīng)的瞬時速度：記下第1個點的位置O，在紙帶上從離O點適當(dāng)距離開始選取幾個計數(shù)點1、2、3…n并測量出各計數(shù)點到O點的距離h1、h2、h3…h(huán)n再根據(jù)公式vn＝eq\f(hn＋1－h(huán)n－1,2T)，計算出1、2、3、4、…n點的瞬時速度v1、v2、v3、v4…vn.2．機械能守恒驗證：方法一：利用起始點和第n點．從起始點到第n個計數(shù)點，重力勢能減少量為mghn，動能增加量為eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)，計算ghn和eq\f(1,2)veq\o\al(2,n)，如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)ghn＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,n)，則機械能守恒定律得到驗證．方法二：任取兩點A、B.從A點到B點，重力勢能減少量為mghA－mghB，動能增加量為eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)，計算ghAB和eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,A)，如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)ghAB＝eq\f(1,2)veq\o\al(2,B)－eq\f(1,2)veq\o\al(2,A)，則機械能守恒定律得到驗證．方法三：圖象法．計算各計數(shù)點eq\f(1,2)v2，以eq\f(1,2)v2為縱軸，以各計數(shù)點到第一個點的距離h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出eq\f(1,2)v2-h圖線．若在誤差許可的范圍內(nèi)圖象是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒定律．知識點五、誤差分析1．在進(jìn)行長度測量時，測量及讀數(shù)不準(zhǔn)造成誤差．2．重物下落要克服阻力做功，部分機械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，下落高度越大，機械能損失越多，所以實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)了各計數(shù)點對應(yīng)的機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，造成打點時間間隔變化而產(chǎn)生誤差．知識點六、注意事項1．應(yīng)盡可能控制實驗滿足機械能守恒的條件，這就要求盡量減小各種阻力的影響，采取的措施有：(1)安裝打點計時器時，必須使兩個限位孔的中線嚴(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)以第一個點為起點時，要驗證的是eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)＝mghn，必須保證紙帶上的第一個點為重物靜止釋放時打的點，所以前兩個點的間距為h＝eq\f(1,2)gt2＝eq\f(1,2)×10×(0.02)2m＝2mm.(2)以下落中某點為起點時，要驗證的是eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,n)＝mghmn，這時選擇紙帶不需要滿足兩點間距為2mm.3．計算速度時不能用v＝gt或v＝eq\r(2gh)，否則就犯了用機械能守恒定律去驗證機械能守恒的錯誤．【課堂檢測】1．如圖所示，在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，已知打點計時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，測得所用的重物的質(zhì)量為1.00kg，實驗中得到一條點跡清晰的紙帶如圖所示。把第一個點記做O，另選連續(xù)的4個點A、B、C、D作為測量的點。經(jīng)測得知道A、B、C、D各點到O點的距離為62.99cm、70.14cm、77.76cm、85.37cm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知重物由O點運動到C點，重力勢能的減少量等于___________J；C點的速度為_______m/s；（計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字）；但實驗中總存在重力勢能的減少量_______動能的增加量（填小于、等于、大于），則上述三個空的答案是（）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．重物下落過程中，重力勢能的減小量等于重力做的功勻變速直線運動中間時刻的瞬時速度等于這段位移的平均速度，有重物下落過程中需要克服空氣阻力做功，由能量守恒可得重力勢能的減少量大于動能的增加量，ACD錯誤，B正確。故選B。2．用如圖所示的裝置驗證機械能守恒定律，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的正下方鐵架臺上固定一金屬圓環(huán)。開始時金屬片C與圓環(huán)間的高度為h，由靜止釋放B，運動一段時間后金屬片C被擱置在圓環(huán)上（C與輕繩間無接觸），測得B通過兩數(shù)字計時器的時間間隔為t，已知兩數(shù)字計時器的豎直間距為d。改變h重復(fù)實驗得到多組數(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)做勻加速直線運動，擱置后，系統(tǒng)做勻速直線運動，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)做利用自由落體運動“驗證機械能守恒定律”的實驗，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)線連接到低壓交流電源B．將連有重錘的紙帶穿過限位孔，將紙帶和重錘提升到一定高度C．先釋放紙帶，再接通電源D．更換紙帶，重復(fù)實驗，根據(jù)記錄處理數(shù)據(jù)【答案】C【詳解】A．打點計時器使用低壓交流電源，所以實驗時把打點計時器固定在鐵架臺上，用導(dǎo)線連接低壓交流電源，A正確；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一定高度，盡量靠近打點計時器，B正確；C．應(yīng)先接通電源，然后釋放重物，否則紙帶開始階段是空白，可能所采集的數(shù)據(jù)不夠，而且浪費紙帶，C錯誤；D．重復(fù)幾次，取得幾條打點紙帶，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)實驗的描述中，正確的是（）A．在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的實驗中打點計時器應(yīng)使用低壓直流電源B．在“探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律”的實驗中體現(xiàn)了等效替代思想的運用C．在“探究平拋運動的特點”的實驗中，坐標(biāo)紙上必須標(biāo)出小球剛開始做平拋運動的起始點D．在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，必須用天平測出物體的質(zhì)量【答案】B【詳解】A．在“探究小車速度隨時間變化的規(guī)律”的實驗中，打點計時器應(yīng)使用低壓交流電源，A錯誤；B．在“探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律”的實驗中，體現(xiàn)了等效替代思想的運用，B正確；C．在“探究平拋運動的特點”的實驗中，描繪平拋運動軌跡，不一定非得標(biāo)出平拋運動的起始點，C錯誤；D．在“驗證機械能守恒定律”的實驗中根據(jù)質(zhì)量可以約掉，可以不測量物體的質(zhì)量，D錯誤。故選B。3．圖示為某同學(xué)做驗證機械能守恒定律實驗的裝置。實驗結(jié)果顯示，重錘重力勢能的減少量總略大于動能的增加量，其主要原因是()A．重錘的密度過大B．電源的電壓不穩(wěn)定C．沒有采用多次實驗取平均值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．重錘下落過程中，重錘的重力勢能減小，一部分轉(zhuǎn)化為重錘的動能，一部分克服阻力做功，所以重錘重力勢能的減少量總略大于動能的增加量，而增大重錘密度，可以減小阻力帶來的誤差，A錯誤，D正確；B．電源電壓不穩(wěn)定與該誤差無關(guān)，B錯誤；C．該誤差為系統(tǒng)誤差，多次求平均值無法減小系統(tǒng)誤差，D錯誤。故選D。4．利用自由落體“驗證機械能守恒定律”的實驗中，下列說法正確的是()A．實驗中可以不用天平測出重物的質(zhì)量B．實驗時接通電源和釋放紙帶應(yīng)同時進(jìn)行C．實驗中選用重物的體積越大，實驗誤差一定越小D．實驗中把秒表測得的時間代入v＝gt，計算重錘的速度【答案】A【詳解】A．驗證機械能守恒定律的表達(dá)式為：消去質(zhì)量得：所以不需要測出物體的質(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錯誤；C．重物體積越大，重物所受空氣阻力可能越大，實驗誤差越大，C錯誤；D．重錘理論上在豎直方向上做自由落體運動：代入機械能守恒定律化解得：說明若實驗中把秒表測得的時間代入v＝gt，計算重錘的速度，相當(dāng)于已知機械能守恒驗證機械能守恒，無意義，應(yīng)該利用打點計時器打出的紙帶進(jìn)行計算速度，D錯誤。故選A。5．用圖所示裝置做“驗證機械能守恒定律”實驗時，有以下操作，其中不正確的是（填字母）A．將打點計時器的兩個限位孔調(diào)節(jié)到同一豎直線上B．先放手讓紙帶和重物下落，再接通電源開關(guān)C．使重物靠近打點計時器D．所選擇的紙帶最開始兩點間的距離應(yīng)接近2mm【答案】B【詳解】A．將打點計時器的兩個限位孔調(diào)節(jié)到同一豎直線上，可以減小紙帶運動過程中的摩擦力，故A正確，故A項不合題意；BC．手提紙帶應(yīng)使重物靠近打點計時器，可以提高紙帶使用率，做實驗時，應(yīng)先接通電源，再釋放紙帶，故B錯誤，C正確，B項符合題意，C項不合題意；D．如果為自由落體運動，則有：知所選擇的紙帶最開始兩點間的距離應(yīng)接近2mm，故D正確，D項不合題意．6．《驗證機械能守恒定律》的實驗中，對自由下落的重物，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，使紙帶隨同運動時不致扭曲【答案】D【詳解】重物密度大些，相對阻力的影響小一些，如果重物體積太小，紙帶在運動過程中容易發(fā)生扭曲。故選D?！军c睛】要知道重物帶動紙帶下落過程中能量轉(zhuǎn)化的過程和能量守恒。知道能夠減小實驗誤差的方法7．在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，下列釋放紙帶的操作正確的是()A．B．C．D．【答案】A【解析】在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，應(yīng)手提紙帶的末端，使紙帶豎直，讓重物靠近打點計時器，先接通電源，再釋放紙帶，由此可知，A正確；BCD錯誤；故選A．8．實驗“用DIS研究機械能守恒定律”的裝置如圖所示，標(biāo)尺盤中A、B、C、D為擺錘的四個位置，各點與最低點D的高度差已由計算機默認(rèn)。某組同學(xué)在實驗中，得到的圖象如圖所示。圖象的橫軸表示擺錘距D點的高度h，縱軸表示擺錘的重力勢能、動能或機械能。下列說法錯誤的是（）A．光電門傳感器要分別放在D、C、B點進(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械能ED．圖線乙表示擺錘的機械能【答