2018-2019學(xué)年高中物理 第2章 能的轉(zhuǎn)化與守恒 第3節(jié) 第1課時 實驗：機械能的轉(zhuǎn)化和守恒的實驗探究學(xué)案 魯科版必修2.doc

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第1課時　實驗：機械能的轉(zhuǎn)化和守恒的實驗探究 閱讀教材第33頁，知道實驗原理、實驗器材、實驗步驟及數(shù)據(jù)處理。 實驗?zāi)康? 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。 實驗原理 讓物體自由下落，在忽略阻力情況下，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mgh＝mv－mv成立，則物體的機械能守恒。 實驗器材 　鐵架臺(帶鐵夾)、電磁打點計時器、低壓交流電源(4～6 V)、重物、毫米刻度尺、紙帶(帶夾子)、復(fù)寫紙片、導(dǎo)線。 實驗過程 一、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。 圖1 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 分兩種情況： (1)應(yīng)選點跡清晰且1、2兩點間距離小于或接近2 mm的紙帶。若1、2兩點間的距離大于2 mm，這是由先釋放紙帶，后接通電源造成的。這樣，第1個點就不是運動的起始點了，紙帶上第1個點對應(yīng)的動能就不等于零。原理式mgh＝mv2就不成立了。 (2)用mgΔh＝mv－mv驗證時，由于重力勢能的相對性，處理紙帶時，選擇適當(dāng)?shù)狞c為基準(zhǔn)點，這樣紙帶上打出的第1、2兩點間的距離是否為2 mm就無關(guān)緊要了，所以只要后面的點跡清晰就可選用。 4.測距離：用毫米刻度尺測出O點到1、2、3…各計數(shù)點的距離，求出重物對應(yīng)于各點下落的高度h1、h2、h3…并將各點對應(yīng)的高度填入設(shè)計的表格中。 二、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…并測量出各計數(shù)點到O點的距離h1、h2、h3…再利用勻變速直線運動公式vn＝，計算出1、2、3、4…n點的瞬時速度v1、v2、v3、v4、…vn。 2.實驗驗證 方法一：利用起始點O和n個計數(shù)點，分別計算出各點對應(yīng)的重力勢能和動能。設(shè)起始點O處的重力勢能為零，則各計數(shù)點處的重力勢能為－mghn，對應(yīng)的動能為mv，如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)ghn＝v，則機械能守恒。 方法二：任意選取兩點A、B，測出hAB，計算出ghAB；再計算出vA、vB、v－v的值，如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)ghAB＝v－v，則機械能守恒。 圖2 方法三：圖象法。從紙帶上多選取幾個計數(shù)點，測量出O點(起始點)到其余各計數(shù)點的距離(物體下落的高度)h并計算出各點速度的平方v2，然后以v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出v2－h(huán)圖線。若在誤差允許的范圍內(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。 誤差分析 1.在進行長度測量時，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。 注意事項 1.打點計時器要豎直：安裝打點計時器時要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)以減少摩擦阻力。 2.重物密度要大：重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料。 3.一先一后：應(yīng)先接通電源，讓打點計時器正常工作，后松開紙帶讓重物下落。 4.測長度，算速度：某時刻的瞬時速度的計算應(yīng)用vn＝，不能用vn＝或vn＝gt來計算。 　實驗原理與操作 [精典示例] [例1] 如圖3為驗證機械能守恒定律的實驗裝置示意圖?，F(xiàn)有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺、電磁打點計時器、紙帶、帶鐵夾的重錘、天平?；卮鹣铝袉栴}： 圖3 (1)為完成此實驗，除了所給的器材外，還需要的器材有________。(填入正確選項前的字母) A.米尺 B.秒表 C.0～12 V的直流電源 D.0～12 V的交流電源 (2)下面列舉了該實驗的幾個操作步驟： A.按照圖示的裝置安裝器材 B.將打點計時器接到電源的“直流輸出”上 C.用天平測出重錘的質(zhì)量 D.先接通電源，后釋放紙帶，打出一條紙帶 E.測量紙帶上某些點間的距離 F.根據(jù)測量的結(jié)果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能 其中操作不當(dāng)?shù)牟襟E是________________。 (3)實驗中誤差產(chǎn)生的原因有____________________________________(寫出兩個原因)。 (4)利用這個裝置也可以測量重錘下落的加速度a的數(shù)值。根據(jù)打出的紙帶，選取紙帶上連續(xù)的五個點A、B、C、D、E，測出各點之間的距離如圖4所示。使用交流電源的頻率為f，則計算重錘下落的加速度的表達式a＝______。(用s1、s2、s3、s4及f表示) 圖4 解析　(1)為完成此實驗，除了所給的器材外，測量需要米尺，電源需要0～12 V的交流電源。 (2)其中操作不當(dāng)?shù)牟襟E是將打點計時器接到電源的“直流輸出”上，打點計時器需要交流電源。 (3)紙帶與打點計時器之間有摩擦以及空氣阻力；用米尺測量紙帶上點的位置時讀數(shù)有誤差；計算勢能變化時，選取初、末兩點距離過近；交流電源頻率不穩(wěn)定。 (4)由Δs＝aT2得： a＝＝。 答案　(1)AD　(2)B　(3)紙帶與打點計時器之間有摩擦以及空氣阻力；用米尺測量紙帶上點的位置時讀數(shù)有誤差；計算勢能變化時，選取初、末兩點距離過近；交流電源頻率不穩(wěn)定　(4) 　實驗數(shù)據(jù)的處理 [精典示例] [例2] (2016全國卷Ⅰ)某同學(xué)用圖5甲所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律，其中打點計時器的電源為交流電源，可以使用的頻率有20 Hz、30 Hz和40 Hz，打出紙帶的一部分如圖乙所示。該同學(xué)在實驗中沒有記錄交流電的頻率f，需要用實驗數(shù)據(jù)和其他條件進行推算。 ,圖5) (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：在打點計時器打出B點時，重物下落的速度大小為________，打出C點時重物下落的速度大小為______，重物下落的加速度大小為______。 (2)已測得s1＝8.89 cm，s2＝9.50 cm，s3＝10.10 cm；當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮?.80 m/s2，實驗中重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%。由此推算出f為________Hz。 解析　(1)兩點間時間間隔為T＝，vB＝＝，同理vC＝，重物下落的加速度的大小為a＝。 (2)據(jù)mg－0.01mg＝ma和a＝，代入數(shù)據(jù)可得f為40 Hz。 答案　(1)　　　(2)40 1.在利用自由落體運動探究機械能的轉(zhuǎn)化和守恒的實驗中： (1)打點計時器所接交流電的頻率為50 Hz，甲、乙兩條實驗紙帶如圖6所示，應(yīng)選________紙帶好。 圖6 (2)若通過測量紙帶上某兩點間距離來計算某時刻的瞬時速度，進而驗證機械能守恒定律?，F(xiàn)已測得甲紙帶上2、4兩點間距離為s1，0、3兩點間距離為s2，打點周期為T，為了驗證0、3兩點間機械能守恒，則s1、s2和T應(yīng)滿足的關(guān)系式為________________。 解析　(1)甲紙帶上第0、1兩點間距更接近2 mm，故選甲紙帶好。 (2)第3點處的速度v3＝，打第3點時重物下落高度為s2，若機械能守恒，則mgs2＝mv，即gs2＝，s2＝。 答案　(1)甲　(2)s2＝ 2.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中： (1)從下列器材中選出實驗所必須的，其編號為________。 A.打點計時器(包括紙帶) B.重錘 C.天平 D.毫米刻度尺 E.秒表(或停表) F.運動小車 (2)進行實驗時，為保證重物下落時初速度為零，應(yīng)____。 A.先接通電源，再釋放紙帶 B.先釋放紙帶，再接通電源 (3)下列說法中正確的是________。 A.實驗中用打點計時器時，一定用到低壓直流電源 B.選用重物時，同樣大小、形狀的重物應(yīng)選重一點的比較好 C.要選用第1、2兩點距離接近2 mm的紙帶 D.實驗結(jié)果總是動能增加量略小于重力勢能的減少量 解析　(1)打點計時器(含紙帶)、重錘是必須的，為了測量計數(shù)點的距離，需要毫米刻度尺；因為是比較mgh、mv2的大小關(guān)系，故m可約去，不需要測出重物的質(zhì)量，不需要用天平；打點計時器本身可以計算時間，所以不需要秒表，實驗用的是重錘，不需要運動小車。故選A、B、D。 (2)開始記錄時，應(yīng)先給打點計時器通電打點，然后再釋放紙帶，讓它帶著紙帶一同落下。這樣有利于數(shù)據(jù)的采集和處理，減少實驗誤差。故選A。 (3)電火花計時器不用低壓電源，電磁打點計時器用低壓交流電源，故A錯誤；為了減小空氣阻力的影響，在選擇重物時，要選擇密度大的，即選擇質(zhì)量大體積小的重物，B正確；由公式h＝gt2可知，若開始第1、2兩點間的距離為2 mm，則打第1個點時的速度為零，這樣只需比較mgh、mv2的大小關(guān)系即可，實驗方便，C正確；由于空氣阻力和紙帶與計時器摩擦的影響，實驗結(jié)果總是動能增加量略小于重力勢能的減少量，故D正確。 答案　(1)ABD　(2)A　(3)BCD 3.(2018巴州高一檢測)如圖7是利用重物自由下落驗證機械能守恒定律的實驗裝置。 圖7 (1)在驗證機械能守恒定律的實驗中，沒有必要進行的操作是________。 A.用天平測重物的質(zhì)量 B.用秒表測重物下落的時間 C.用打點計時器記錄重物下落的信息 D.用紙帶記錄測量重物下落的高度 (2)該實驗所用打點計時器的電源頻率為50 Hz，如圖8所示，A、B、C為紙帶中選取的三個計數(shù)點，每兩個計數(shù)點之間還有4個點未畫出，則每兩個計數(shù)點之間的時間間隔T＝______s，打點計時器在打下計數(shù)點B時，物體的下落速度為vB＝________m/s。(結(jié)果保留兩位小數(shù)) 圖8 (3)由于該實驗中存在阻力做功，所以實驗測得的重物的重力勢能的減少量________(選填“＜”“＞”或“＝”)動能的增加量。 解析　(1)因為我們是比較mgh、mv2的大小關(guān)系，故m可約去比較，不需要測出重物的質(zhì)量，故A錯誤；我們可以通過打點計時器打出的點確定時間，不需要秒表，故B錯誤；用打點計時器可以記錄重物下落的時間和高度，故C正確；用紙帶記錄測量重物下落的高度，故D正確。 (2)每兩個計數(shù)點之間還有4個點未畫出，則每兩個計數(shù)點之間的時間間隔T＝0.1 s。根據(jù)勻變速直線運動的規(guī)律，中間時刻速度等于這段時間中的平均速度得vB＝＝2.36 m/s。 (3)由于紙帶通過時受到較大的阻力和重物受到的空氣阻力，重力勢能有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化為摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能，所以重力勢能的減少量明顯大于動能的增加量。 答案　(1)AB　(2)0.1　2.36　(3)＞ 4.某同學(xué)做驗證機械能守恒定律實驗時，不慎將一條挑選出的紙帶的一部分損壞，損壞的是前端部分。剩下的一段紙帶上各相鄰點間的距離已測出標(biāo)在圖9中，單位是cm。打點計時器工作頻率為50 Hz，重力加速度g取9.8 m/s2，重物質(zhì)量為m。 圖9 (1)重物在2點時的速度v2＝________，在5點時的速度v5＝________，此過程中動能增加量ΔEk＝________，重力勢能減少量ΔEp＝________。由以上可得出實驗結(jié)論：_____________________________________。 (2)根據(jù)實驗判斷下列圖象正確的是(其中ΔEk表示重物動能的變化量，Δh表示重物下落的高度)(　　) 解析　(1)根據(jù)勻變速直線運動的規(guī)律，可以求出重物在2點時的速度v2＝ m/s＝1.50 m/s和重物在5點時的速度v5＝ m/s＝2.075 m/s，所以動能增加量為ΔEk＝mv－mv＝1.03m J，重物從2點到5點，重力勢能減少量為ΔEp＝mgh25＝m9.8(3.2＋3.6＋4.0)10－2J＝1.06m J，由以上可得出實驗結(jié)論為：在誤差允許的范圍內(nèi)，機械能守恒。 (2)重物機械能守恒，應(yīng)有重物減少的重力勢能轉(zhuǎn)化為增加的動能，即ΔEk＝mgΔh，可見重物增加的動能與下落的距離成正比，選項C正確。 答案　(1)1.50 m/s　2.075 m/s　1.03m J　1.06m J　在誤差允許的范圍內(nèi)，機械能守恒　(2)C 5.(2018青島高一檢測)利用如圖10所示實驗裝置來驗證機械能守恒定律。通過電磁鐵控制的小鐵球從A點自由下落，下落過程中小鐵球經(jīng)過光電門B時，毫秒計時器(圖中未畫出)記錄下小鐵球的擋光時間t。實驗前調(diào)整光電門位置，使小球下落過程中，小鐵球球心垂直細激光束通過光電門，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間。 圖10 (1)為了驗證小鐵球下落過程中機械能是否守恒，還需要測量的物理量是________。 A.A點距地面的高度H B.A、B之間的距離h C.小鐵球從A到B的下落時間tAB D.小鐵球的直徑d (2)小鐵球通過光電門時的瞬時速度v＝____________；要驗證小鐵球下落過程中機械能是否守恒，只需驗證等式________是否成立即可(用實驗中測得物理量的符號表示)。 解析　(1)根據(jù)實驗原理可知，需要測量的是A點到光電門B的距離，故A錯誤，B正確；利用小球通過光電門的平均速度來代替瞬時速度，不需要測量下落時間，故C錯誤；利用小球通過光電門的平均速度來代替瞬時速度時，需要知道擋光物體的尺寸，因此需要測量小球的直徑，故D正確。 (2)利用小球通過光電門的平均速度來代替瞬時速度，故v＝；根據(jù)機械能守恒的表達式有mgh＝mv2，可得 ＝h(或d2＝2ght2)，故只要驗證＝h(或d2＝2ght2)即可。 答案　(1)BD　(2)?。絟(或d2＝2ght2) 6.(2018濱州高一檢測)某同學(xué)根據(jù)機械能守恒定律，設(shè)計實驗探究彈簧的彈性勢能與壓縮量的關(guān)系。 (1)如圖11 (a)，將輕質(zhì)彈簧下端固定于鐵架臺，在上端的托盤中依次增加砝碼，測量相應(yīng)的彈簧長度，部分?jǐn)?shù)據(jù)如下表。由數(shù)據(jù)算得勁度系數(shù)k＝________N/m。(g取9.80 m/s2) 砝碼質(zhì)量(g) 50 100 150 彈簧長度(cm) 8.62 7.63 6.66 圖11 (2)取下彈簧，將其一端固定于氣墊導(dǎo)軌左側(cè)，如圖(b)所示；調(diào)整導(dǎo)軌使滑塊自由滑動時，通過兩個光電門的速度大小________。 (3)用滑塊壓縮彈簧，記錄彈簧的壓縮量x；釋放滑塊，記錄滑塊脫離彈簧后的速度v。釋放滑塊過程中，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為________。 (4)重復(fù)(3)中的操作，得到v與x的關(guān)系如圖12所示，由圖可知，v與x成________關(guān)系。由上述實驗可得結(jié)論：對同一根彈簧，彈性勢能與彈簧的________成正比。 圖12 解析　(1)由k＝＝ N/m＝50 N/m。 (2)要調(diào)整氣墊導(dǎo)軌水平，使滑塊自由滑動時，通過兩個光電門的速度相等。 (3)根據(jù)機械能守恒定律，釋放滑塊后，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為滑塊的動能。 (4)由題圖可知，v與x成正比，即v＝kx，由Ep＝Ek＝mv2＝mk2x2，因此彈簧的彈性勢能與彈簧的壓縮量的平方成正比。 答案　(1)50　(2)相等　(3)滑塊的動能　(4)正比　壓縮量的平方