8.5 实验：验证机械能守恒定律 导学案 （word版含答案）
文档属性
| 名称 | 8.5 实验：验证机械能守恒定律 导学案 （word版含答案） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 523.2KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-05-19 05:12:59 | ||
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文档简介
8.5实验：验证机械能守恒定律
【学习目标】
1．验证只有重力做功时，系统的机械能守恒。
2．通过实验来研究物体自由下落过程中动能与势能的变化，从而验证机械能守恒定律。
【学习重点】
验证只有重力做功时，系统的机械能守恒。
【学习难点】
通过实验来研究物体自由下落过程中动能与势能的变化，从而验证机械能守恒定律。
【学习过程】
一、学习指南
（一）温故知新：机械能守恒定律
（1）内容：在只有重力或弹力做功的物体系统内，_____和_____会发生相互转化，但_____的总量保持不变。
（2）表达式：Ep1＋Ek1＝Ep2＋Ek2。
（3）守恒条件：只有重力（或弹力）做功。
（二）实验：验证机械能守恒定律
1．实验器材
___________________________________________。
2．实验装置
如图所示。
3．实验原理
（1）原理：做自由落体运动的物体，只受_____作用，其机械能是守恒的。若质量为m的物体自由下落h高度时，速度为v，若v2＝_____成立，则机械能守恒定律得到验证。
（2）瞬时速度的求解：如下图所示，借助打点计时器打出的纸带，测出物体自由下落的高度h和该时刻的速度v。打第n个计数点时的瞬时速度等于以该时刻为中间时刻的某一段时间内的平均速度，即vn＝＝。
【牛刀小试】某同学在探究“验证机械能守恒定律”时按图甲所示安装好实验装置，正确进行实验操作，从打出的纸带中选出符合要求的纸带，如图乙所示。图中O点为打点起始点，且速度为零。
甲 乙
（1）选取纸带上打出的连续点A、B、C、…，测出其中E、F、G点距打点起始点O的距离分别为h1、h2、h3，已知重锤质量为m，当地重力加速度为g，打点计时器打点周期为T。为验证此实验过程中机械能是否守恒，需要计算出从打下O点到打下F点的过程中，重锤重力势能的减少量ΔEp＝_______，动能的增加量ΔEk＝______（用题中所给字母表示）。
（2）以各点到起始点的距离h为横坐标，以各点速度的平方v2为纵坐标建立直角坐标系，用实验测得的数据绘出v2－h图线，如图丙所示，该图像说明了：_____________________
________________________________________________________________________。
丙
（3）从v2－h图线求得重锤下落的加速度g′＝________m/s2（保留3位有效数字）。
二、理解与运用
1．重物下落时，除了重力外还会受到哪些力？怎样减少这些力对实验的影响？
2．在做验证机械能守恒定律的实验时，是否必须测量重物的质量？为什么？
3．重物下落过程中各点的瞬时速度应该如何计算？
4．在“验证机械能守恒定律”的实验中：
（1）将下列主要的实验步骤，按照实验的合理顺序把步骤前的序号补充填在题后横线上：
A．用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器处；
B．将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器的限位孔；
C．取下纸带，在纸带上任选几点，测出它们与第一个点的距离，并算出重物在打下这几个点时的瞬时速度；
D．接通电源，松开纸带，让重物自由下落；
E．查出当地的重力加速度g的值，算出打下各计数点时的动能和对应减少的重力势能，比较它们是否相等；
F．把测量和计算得的数据填入自己设计的表格里。
答：__________________________。
（2）动能值和对应重力势能的减少值相比，实际上哪个值应偏小些？
答：__________________________。
5．用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。气垫导轨上A处安装了一个光电门，滑块上固定一遮光条，滑块用绕过气垫导轨左端定滑轮的细线与钩码相连，每次滑块都从同一位置由静止释放，释放时遮光条位于气垫导轨上B位置的上方。
（1）某同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d，如图乙所示，则d＝________mm。
（2）实验中，接通气源，滑块静止释放后，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间为t，测得滑块质量为M，钩码质量为m，A、B间的距离为L。在实验误差允许范围内，钩码减小的重力势能mgL与___________________（用直接测量的物理量符号表示）相等，则机械能守恒。
（3）下列不必要的一项实验要求是________（请填写选项前对应的字母）。
A．滑块必须由静止释放 B．应使滑块的质量远大于钩码的质量
C．已知当地重力加速度 D．应使细线与气垫导轨平行
【达标检测】
1．在利用打点计时器“验证机械能守恒定律”的实验中，实验装置如图甲所示。
（1）需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h。某小组的同学利用实验得到了所需纸带，共设计了以下四种测量方案，其中正确的是______；
A．用刻度尺测出物体下落的高度h，并测出下落时间t，通过计算出瞬时速度v；
B．用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过，计算出瞬时速度v；
C．根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前、后相邻两点间的平均速度，计算出瞬时速度v，并通过计算出高度h；
D．用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前、后相邻两点间的平均速度，计算出瞬时速度v。
（2）打出的纸带如图乙所示。设物体质量为m、交流电周期为T，则打点4时物体的动能可以表示为______；
（3）为了求从起点0到点4物体的重力势能变化量，需要知道重力加速度g的值，这个g值应该是______（填字母即可）；
A．取当地的实际g值 B．根据打出的纸带，用求出
C．近似取即可 D．以上说法均错误
2．厦门中学生助手利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律。频闪仪每隔0.05s闪光一次，图中所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如表（当地重力加速度取9.8m/s，小球质量，结果均保留三位有效数字。
（1）由频闪照片上的数据计算，时刻小球的速度_____m/s，_____m/s；
（2）从到时间内，重力势能增加量_____J，动能减小量_____J；
（3）在误差允许的范围内，若与近似相等，从而验证了机械能守恒定律。由上述计算得不完全等于，造成这种结果的主要原因是_____。
3．利用图 1 所示的装置做“验证机械能守恒定律”的实验。
（1）a.请针对本实验选择合适的重锤( )
A．大小合适的铁质重锤 B．体积较大的木质重锤
b.除打点计时器（含纸带、复写纸）、重锤、交流电源、铁架台、导线及开关外，在下面的器材中，必须使用的还有_____。（选填器材前的字母）
A．刻度尺 B．天平 C．秒表
（2）图 2 是实验中得到的一条纸带。在纸带上选取五个连续打出的点A、B、C、D、E，测得A、B、C 三点到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知重锤的质量为m， 当地的重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。从打下O点到打下B点的过程中， 重锤重力势能的减少量ΔEP =_____，动能的增加量ΔEk =_____。
（3）在实验过程中，下列实验操作和数据处理正确的是_____。
A．释放重锤前，手捏住纸带上端并使纸带保持竖直
B．做实验时，先接通打点计时器的电源，再释放连结重锤的纸带
C．为测量打点计时器打下某点时重锤的速度v，需要先测量该点到O点的距离h，再根据公式v 计算，其中g应取当地的重力加速度
D．用刻度尺测量某点到O点的距离h，利用公式mgh 计算重力势能的减少量，其中g应取当地的重力加速度
（4）大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是( )
A．利用公式v=gt计算重物速度 B．利用公式v=计算重物速度
C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响 D．没有采用多次实验取平均值的方法
（5）某同学想用下述方法研究机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘 v2-h 图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒。请你分析论证该同学的判断依据是否正确。___
4．某同学用气垫导轨做验证机械能守恒定律的实验，已知当地重力加速度为g，步骤如下：
（1）用天平测出滑块和遮光条的总质量为M、重物的质量为m，用游标卡尺测出遮光条的宽度d；
（2）按图安装好装置，调节气垫导轨水平；
（3）测出遮光条到光电门的距离L，将滑块从该位置静止释放后，光电计时器记录遮光条遮光时间t，实验要验证的表达式为___________；
（4）保持滑块每次从同一位置处释放，改变光电门的位置进行多次实验，测出多组遮光条到光电门的距离L及遮光条遮光时间t，为了直观地得到t与L的关系，应作出___________（选填“”“”、“”或“”）图象，如果在误差允许范围内，图象是一条过原点倾斜的直线，且图象的斜率为___________时，则机械能守恒得到验证。
5．（1）在用落体法验证机械能守恒定律的实验中，若要从起始点开始计算重锤下落的高度，则在打出的若干条纸带中应选点迹清晰，且第一、二两点距离接近___________mm的纸带进行测量；
（2）在利用重锤自由下落做“验证机械能守恒律”的实验中，下列物理量中需要测量的有___________，通过计算得到的有___________。（填序号字母）
A．重锤质量 B．下落高度 C．与下落高度对应的重锤的瞬时速度
（3）若实验操作正确，纸带数据处理无误，得到重锤重力势能的减少量a和重锤动能的增加量b，由于实验中存在摩擦阻力，则二者的关系是：a___________b（填“<”或“=”或“>”）。
6．用如图甲实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒．m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒．图乙给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图乙所示，已知电源频率为50Hz，m1＝50g、m2＝150g，g取10m/s2，则
（1）在纸带上打下计数点5时的速度v＝______m/s；
（2）在打点0～5过程中系统动能的增加量ΔEk＝______J，系统势能的减少量ΔEp＝______J，由此得出的结论是______；
（3）实验结果显示ΔEp>ΔEk，那么造成这一现象的主要原因是______；
（4）若某同学作出v2 h图象如图丙所示，则当地的实际重力加速度g＝______m/s2。
参考答案：
1． D A
2． 5.59 4.08 1.42 1.46 纸带和打点计时器的摩擦以及空气阻力的存在
3． A A ABD C
4．
5． 2 B C >
6． 2.4 0.576 0.600 在误差允许的范围内，系统机械能守恒 摩擦阻力造成的机械能损失 9.7
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【学习目标】
1．验证只有重力做功时，系统的机械能守恒。
2．通过实验来研究物体自由下落过程中动能与势能的变化，从而验证机械能守恒定律。
【学习重点】
验证只有重力做功时，系统的机械能守恒。
【学习难点】
通过实验来研究物体自由下落过程中动能与势能的变化，从而验证机械能守恒定律。
【学习过程】
一、学习指南
（一）温故知新：机械能守恒定律
（1）内容：在只有重力或弹力做功的物体系统内，_____和_____会发生相互转化，但_____的总量保持不变。
（2）表达式：Ep1＋Ek1＝Ep2＋Ek2。
（3）守恒条件：只有重力（或弹力）做功。
（二）实验：验证机械能守恒定律
1．实验器材
___________________________________________。
2．实验装置
如图所示。
3．实验原理
（1）原理：做自由落体运动的物体，只受_____作用，其机械能是守恒的。若质量为m的物体自由下落h高度时，速度为v，若v2＝_____成立，则机械能守恒定律得到验证。
（2）瞬时速度的求解：如下图所示，借助打点计时器打出的纸带，测出物体自由下落的高度h和该时刻的速度v。打第n个计数点时的瞬时速度等于以该时刻为中间时刻的某一段时间内的平均速度，即vn＝＝。
【牛刀小试】某同学在探究“验证机械能守恒定律”时按图甲所示安装好实验装置，正确进行实验操作，从打出的纸带中选出符合要求的纸带，如图乙所示。图中O点为打点起始点，且速度为零。
甲 乙
（1）选取纸带上打出的连续点A、B、C、…，测出其中E、F、G点距打点起始点O的距离分别为h1、h2、h3，已知重锤质量为m，当地重力加速度为g，打点计时器打点周期为T。为验证此实验过程中机械能是否守恒，需要计算出从打下O点到打下F点的过程中，重锤重力势能的减少量ΔEp＝_______，动能的增加量ΔEk＝______（用题中所给字母表示）。
（2）以各点到起始点的距离h为横坐标，以各点速度的平方v2为纵坐标建立直角坐标系，用实验测得的数据绘出v2－h图线，如图丙所示，该图像说明了：_____________________
________________________________________________________________________。
丙
（3）从v2－h图线求得重锤下落的加速度g′＝________m/s2（保留3位有效数字）。
二、理解与运用
1．重物下落时，除了重力外还会受到哪些力？怎样减少这些力对实验的影响？
2．在做验证机械能守恒定律的实验时，是否必须测量重物的质量？为什么？
3．重物下落过程中各点的瞬时速度应该如何计算？
4．在“验证机械能守恒定律”的实验中：
（1）将下列主要的实验步骤，按照实验的合理顺序把步骤前的序号补充填在题后横线上：
A．用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器处；
B．将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器的限位孔；
C．取下纸带，在纸带上任选几点，测出它们与第一个点的距离，并算出重物在打下这几个点时的瞬时速度；
D．接通电源，松开纸带，让重物自由下落；
E．查出当地的重力加速度g的值，算出打下各计数点时的动能和对应减少的重力势能，比较它们是否相等；
F．把测量和计算得的数据填入自己设计的表格里。
答：__________________________。
（2）动能值和对应重力势能的减少值相比，实际上哪个值应偏小些？
答：__________________________。
5．用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。气垫导轨上A处安装了一个光电门，滑块上固定一遮光条，滑块用绕过气垫导轨左端定滑轮的细线与钩码相连，每次滑块都从同一位置由静止释放，释放时遮光条位于气垫导轨上B位置的上方。
（1）某同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d，如图乙所示，则d＝________mm。
（2）实验中，接通气源，滑块静止释放后，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间为t，测得滑块质量为M，钩码质量为m，A、B间的距离为L。在实验误差允许范围内，钩码减小的重力势能mgL与___________________（用直接测量的物理量符号表示）相等，则机械能守恒。
（3）下列不必要的一项实验要求是________（请填写选项前对应的字母）。
A．滑块必须由静止释放 B．应使滑块的质量远大于钩码的质量
C．已知当地重力加速度 D．应使细线与气垫导轨平行
【达标检测】
1．在利用打点计时器“验证机械能守恒定律”的实验中，实验装置如图甲所示。
（1）需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h。某小组的同学利用实验得到了所需纸带，共设计了以下四种测量方案，其中正确的是______；
A．用刻度尺测出物体下落的高度h，并测出下落时间t，通过计算出瞬时速度v；
B．用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过，计算出瞬时速度v；
C．根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前、后相邻两点间的平均速度，计算出瞬时速度v，并通过计算出高度h；
D．用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前、后相邻两点间的平均速度，计算出瞬时速度v。
（2）打出的纸带如图乙所示。设物体质量为m、交流电周期为T，则打点4时物体的动能可以表示为______；
（3）为了求从起点0到点4物体的重力势能变化量，需要知道重力加速度g的值，这个g值应该是______（填字母即可）；
A．取当地的实际g值 B．根据打出的纸带，用求出
C．近似取即可 D．以上说法均错误
2．厦门中学生助手利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律。频闪仪每隔0.05s闪光一次，图中所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如表（当地重力加速度取9.8m/s，小球质量，结果均保留三位有效数字。
（1）由频闪照片上的数据计算，时刻小球的速度_____m/s，_____m/s；
（2）从到时间内，重力势能增加量_____J，动能减小量_____J；
（3）在误差允许的范围内，若与近似相等，从而验证了机械能守恒定律。由上述计算得不完全等于，造成这种结果的主要原因是_____。
3．利用图 1 所示的装置做“验证机械能守恒定律”的实验。
（1）a.请针对本实验选择合适的重锤( )
A．大小合适的铁质重锤 B．体积较大的木质重锤
b.除打点计时器（含纸带、复写纸）、重锤、交流电源、铁架台、导线及开关外，在下面的器材中，必须使用的还有_____。（选填器材前的字母）
A．刻度尺 B．天平 C．秒表
（2）图 2 是实验中得到的一条纸带。在纸带上选取五个连续打出的点A、B、C、D、E，测得A、B、C 三点到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知重锤的质量为m， 当地的重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。从打下O点到打下B点的过程中， 重锤重力势能的减少量ΔEP =_____，动能的增加量ΔEk =_____。
（3）在实验过程中，下列实验操作和数据处理正确的是_____。
A．释放重锤前，手捏住纸带上端并使纸带保持竖直
B．做实验时，先接通打点计时器的电源，再释放连结重锤的纸带
C．为测量打点计时器打下某点时重锤的速度v，需要先测量该点到O点的距离h，再根据公式v 计算，其中g应取当地的重力加速度
D．用刻度尺测量某点到O点的距离h，利用公式mgh 计算重力势能的减少量，其中g应取当地的重力加速度
（4）大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是( )
A．利用公式v=gt计算重物速度 B．利用公式v=计算重物速度
C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响 D．没有采用多次实验取平均值的方法
（5）某同学想用下述方法研究机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘 v2-h 图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒。请你分析论证该同学的判断依据是否正确。___
4．某同学用气垫导轨做验证机械能守恒定律的实验，已知当地重力加速度为g，步骤如下：
（1）用天平测出滑块和遮光条的总质量为M、重物的质量为m，用游标卡尺测出遮光条的宽度d；
（2）按图安装好装置，调节气垫导轨水平；
（3）测出遮光条到光电门的距离L，将滑块从该位置静止释放后，光电计时器记录遮光条遮光时间t，实验要验证的表达式为___________；
（4）保持滑块每次从同一位置处释放，改变光电门的位置进行多次实验，测出多组遮光条到光电门的距离L及遮光条遮光时间t，为了直观地得到t与L的关系，应作出___________（选填“”“”、“”或“”）图象，如果在误差允许范围内，图象是一条过原点倾斜的直线，且图象的斜率为___________时，则机械能守恒得到验证。
5．（1）在用落体法验证机械能守恒定律的实验中，若要从起始点开始计算重锤下落的高度，则在打出的若干条纸带中应选点迹清晰，且第一、二两点距离接近___________mm的纸带进行测量；
（2）在利用重锤自由下落做“验证机械能守恒律”的实验中，下列物理量中需要测量的有___________，通过计算得到的有___________。（填序号字母）
A．重锤质量 B．下落高度 C．与下落高度对应的重锤的瞬时速度
（3）若实验操作正确，纸带数据处理无误，得到重锤重力势能的减少量a和重锤动能的增加量b，由于实验中存在摩擦阻力，则二者的关系是：a___________b（填“<”或“=”或“>”）。
6．用如图甲实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒．m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒．图乙给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图乙所示，已知电源频率为50Hz，m1＝50g、m2＝150g，g取10m/s2，则
（1）在纸带上打下计数点5时的速度v＝______m/s；
（2）在打点0～5过程中系统动能的增加量ΔEk＝______J，系统势能的减少量ΔEp＝______J，由此得出的结论是______；
（3）实验结果显示ΔEp>ΔEk，那么造成这一现象的主要原因是______；
（4）若某同学作出v2 h图象如图丙所示，则当地的实际重力加速度g＝______m/s2。
参考答案：
1． D A
2． 5.59 4.08 1.42 1.46 纸带和打点计时器的摩擦以及空气阻力的存在
3． A A ABD C
4．
5． 2 B C >
6． 2.4 0.576 0.600 在误差允许的范围内，系统机械能守恒 摩擦阻力造成的机械能损失 9.7
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