7.9 动能定理与机械能守恒定律实验 word版含答案

人教版物理必修2-第七章——动能定理与机械能守恒实验
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15.1
探究动能定理
)
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知识点睛
)
1．实验目的
⑴ 通过实验探究外力对物体做功与物体速度的关系。
⑵ 通过实验数据分析，总结出做功与物体速度平方的正比关系。
2．实验原理
探究功与物体动能变化的关系，可通过改变力对物体做的功，测出力对物体做不同功时物体的速度。由于功的测量比较困难，因此实验中不是直接测量对小车做功，而是采用如图所示的实验装置，通过增加橡皮筋条数，使橡皮筋对小车做的功成倍增加；小车获得的速度可以由纸带和打点计时器测出，也可以用其他方法测出，这样进行若干次测量，就得到若干组功和速度的数据，进而探究功与物体动能变化的关系。

3．实验器材
小车（前面带小钩）、砝码、长木板（两侧适当的对称位置钉两个铁钉）、打点计时器及纸带、学生电源及导线（使用电火花计时器不用学生电源）、条相同的橡皮筋、刻度尺。
4．实验步骤
⑴ 按上图所示将实验仪器安装好，同时平衡摩擦力。
⑵ 先用1条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获得的速度，设此时橡皮筋对小车做的功为，将这一组数据记入表格。
⑶ 用两条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次相同，这样橡皮筋对小车做的功为，测出小车获得的速度，记入表格。
⑷ 用3条、4条……橡皮筋做实验，用同样的方法测出功与速度，将数据记入表格。
⑸ 分析数据，得出结论。
5．数据处理
⑴ 用计算法处理实验数据：在确定了橡皮筋对小车所做的功并测出了小车获得的速度后，如果做出的图线不是一条直线，可以采用计算的方法，即根据测得的速度分别按、、……算出相应的几组数，逐一与的一组数值对照，由此判断与可能的关系。
⑵ 用图象法处理实验数据：我们也可根据实验测得的数据，分别作出图线、图线、图线……如果哪一种图象更接近于过原点的倾斜直线，功与速度之间就是哪一种正比关系。
用图象法处理数据，要比计算法更简捷而直观。
6．误差分析
⑴ 误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力做功与橡皮筋的条数不成正比。
⑵ 没有完全平衡摩擦力或平衡摩擦力时倾角过大也会造成误差。
⑶ 利用纸带计算小车的速度时，测量不准带来误差。
7. 注意事项
⑴ 平衡摩擦力操作：将木板一端垫高，使小车重力的下滑分力与摩擦力平衡。
验证摩擦力是否被平衡的方法是：轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否匀速运动，找到木板一个合适的倾角。
⑵ 橡皮筋应选规格一样的。力对小车做的功以一条橡皮筋做的功为单位即可。
⑶ 小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些，以提高速度测量的精度。
⑷ 每次实验小车要在同一位置释放。
⑸ 应先接通打点计时器电源，再放开小车
⑹ 测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小车做匀速运动部分的。

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例题精讲
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采用知识点中的实验装置及原理探究功与物体动能变化的关系
⑴ 若已经平衡了摩擦力，则橡皮筋释放后，关于小车的运动，下列说法正确的是
A．一直做匀速直线运动
B．先做匀加速直线运动，再做匀速直线运动
C．先做加速度减小的变加速直线运动，再做匀速直线运动
D．先做加速度增大的变加速直线运动，再做匀速直线运动
⑵ 若木板水平放置，小车在橡皮筋作用下运动，当小车速度最大时，关于橡皮筋所处的状态与小车所在的位置，下列说法正确的是
A．橡皮筋仍处于伸长状态
B．橡皮筋恰好恢复原长
C．小车恰好运动到两个铁钉的连线处
D．小车已超过两个铁钉的连线
⑴ C ⑵ A


探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，实验装置如图所示，实验主要过程如下：

⑴ 设法让橡皮筋对小车做的功分别为；
⑵ 分析打点计时器打出的纸带，求出小车的速度、、、……;
⑶ 做出草图；
⑷ 分析图像，如果图像是一条直线，表明；如果不是直线，可考虑是否存在、、等关系。
以下关于该实验的说法中有一项不正确，它是 。
A．本实验设法让橡皮筋对小车做的功分别为，所采用的方法是选用同样的橡皮筋，并在每次实验中使橡皮筋拉伸的长度保持一致。当用1条橡皮筋进行实验时，橡皮筋对小车做的功为，用2条、3条、…．．橡皮筋并在一起进行第2次、第3次、…．实验时，橡皮筋对小车做的功分别是。
B．小车运动中会受到阻力，补偿的方法，可以使木板适当倾斜。
C．某同学在一次实验中，得到一条记录纸带，纸带上打出的点，两端密、中间疏，出现这种情况的原因，可能是没有使木板倾斜或倾角太小。
D．根据记录纸带上打出的点，求小车获得的速度的方法，是以纸带上第一点到最后一点的距离来进行计算。
D


某实验小组采用如图所示的装置探究功与速度变化的关系，小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行。打点计时器工作频率为50Hz。

⑴ 实验中先后用同样的橡皮筋1条、2条、3条……，并起来挂在小车的前端进行多次实验，每次都要把小车拉到同一位置再释放小车。把第1次只挂1条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功记为，第二次挂2条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功为，……；橡皮筋对小车做功后而使小车获得的速度可由打点计时器打出的纸带测出。根据第四次的纸带（如图所示）求得小车获得的速度为 。（结果保留三位有效数字）

⑵ 若根据多次测量数据画出的草图如图所示，根据图线形状，可知对与的关系做出的猜想肯定不正确的是

A. B. C. D.
⑶ 若和成正比，那么图像应该是一条
⑷ 在本实验中你认为影响实验效果的可能原因是
⑴
⑵ AB
⑶ 过原点的直线
⑷ 橡皮筋的规格不完全相同、木板倾斜过大、小车质量太小等（只要回答出一种原因即可）。

某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”。如图所示，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录通过、时的速度大小。小车中可以放置砝码。

⑴ 实验主要步骤如下：
① 测量 和拉力传感器的总质量；把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路；
② 将小车停在点， ，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过、时的速度；
③ 在小车中增加砝码，或 ，重复②的操作。
⑵ 表1是他们测得的一组数据，其中是与小车中砝码质量之和，是两个速度传感器记录速度的平方差，可以据此计算出动能变化量，是拉力传感器受到的拉力，是在、间所作的功．表格中的 ， 。（结果保留三位有效数字）
⑶ 根据表1，请在图中的方格纸上作出图线
表1 数据记录表
次数
1
2
3
4
5


⑴ 小车；接通电源后释放小车；改变钩码的个数
⑵ ；
⑶ 图略

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15.2
验证机械能守恒定律
)
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知识点睛
)
1．实验目的
验证机械能守恒定律。
2．实验原理
当物体自由下落时，只有重力做功，物体的重力势能和动能互相转化，机械能守恒。若某一时刻物体下落的瞬时速度为，下落高度为，则应有，借助打点计时器，测出重物某时刻的下落高度和该时刻的瞬时速度，即可验证机械能是否守恒。
3．实验器材
铁架台、打点计时器、学生电源、纸带、导线、毫米刻度尺、重物（带纸带夹）
4．实验步骤
⑴ 按如图装置竖直架稳电磁打点计时器，并用导线将电磁打点计时器接在电源上。
⑵ 将长约的纸带用夹子固定在重锤上后穿过电磁打点计时器的限位孔，用手提着纸带，使重锤静止在靠近打点计时器的位置。
⑶ 先接通电源再由静止释放纸带，让重锤自由下落，计时器在纸带上打下一系列的点。
⑷ 更换纸带，重复上面的实验次。
⑸ 整理实验器材。
⑹ 处理数据。
5．数据处理
⑴ 从打出的几条纸带中挑选第一、二两点间的距离接近且点迹清晰的纸带进行测量（若1、2两点间距离大于，主要是由于先释放纸带，后接通电源造成的，这样第1个点就不是运动的起始点了，用验证机械能守恒时，不能选这样的纸带。如果用验证时，则不要求第一、二两点间的距离接近，只要求点迹清晰即可）。先记下第一点的位置，再从纸带上某一点开始任意选取几个点1、2、3、…，用刻度尺测出距点的相应距离，如图所示，并记录数据，计算相应的重力势能的减少量。

⑵ 测出一系列计数点到第一个点的距离、、、…，根据公式，计算出重锤在打下点1、2、3、…时的瞬时速度、、…、，计算相应的动能。
⑶ 比较与是否相等（或比较与是否相等）。
6．注意事项
⑴ 应尽可能控制实验条件，即应满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：
① 安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力。
② 应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，使空气阻力减小。
⑵ 实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直。接通电源后，打点计时器工作稳定后再松开纸带。
⑶ 验证机械能守恒时，可以不测出物体质量，只要比较和是否相等即可验证机械能是否守恒。
⑷ 测量下落高度时，为了减小测量值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不宜过长，有效长度可在之间。
⑸ 速度不能用或计算，因为只要认为加速度为，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用计算出的速度比实际值大，得出机械能增加的错误结论，而由于摩擦阻力的影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算。同样的道理，重物下落的高度，也只能用刻度尺直接测量，而不能用或计算得到。
7．误差分析
⑴ 本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量稍小于重力势能的减少量，即，这属于系统误差。改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。
⑵ 本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差。减小误差的办法是测下落距离时都从点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值。

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例题精讲
)
在用图所示的实验装置来验证机械能守恒定律时
⑴ 供选择的重物有以下四个，应选择
A．质量为的钩码
B．质量为的砝码
C．质量为的木球
D．质量为的塑料球
⑵ 下列说法正确的是：
A．必须用秒表测出重物下落的时间
B．实验操作时，注意手提着纸带使重物靠近打点计时器，先接通打点计时器电源，然后松开纸带
C．如果打点计时器不竖直，重物下落时，其重力势能有一部分消耗在纸带摩擦上，就会造成重力势能的变化小于动能的变化
D．验证时，可以不测量重物的质量或重力
⑴ A ⑵ BD


利用图示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度和下落高度。某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案：

A．用刻度尺测出物体下落的高度，并测出下落时间，通过计算出瞬时速度
B．用刻度尺测出物体下落的高度，并通过计算出瞬时速度
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，测算出瞬时速度，并通过计算出高度
D．用刻度尺测出物体下落的高度，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，测算出瞬时速度
以上方案中只有一种正确，正确的是 。（填入相应的字母）
D


用自由落体法验证机械能守恒定律的实验中：
⑴ 运用公式，对实验条件的要求是 ；
⑵ 若实验中所用重物的质量。打点纸带如图所示，打点时间间隔为，则记录点时，重物速度________，重物动能________，从开始下落起至点时重物的重力势能减少量是__________，由此可得出的结论是_____________________；（取）

⑶ 某同学利用他自己实验时打出的纸带，测出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离，算出了各计数点对应的速度，以为横轴，以为纵轴画出了如图的图线。该图线的斜率值近似等于　
A． B．
C． D．
该图线未过原点的原因是　　　　　　　　　　　。
⑴ 打第一个点时重物的初速度为零
⑵ ，，，机械能守恒
⑶ B　实验时所打第一个点的速度不为零

现要通过实验验证机械能守恒定律。实验装置如图所示：水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为，左端由跨过光滑定滑轮的轻质细绳与一质量为的砝码相连，遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上点有一光电门，可以测试遮光片经过光电门时的挡光时间，用表示点到导轨底端点的距离，表示与的高度差，表示遮光片的宽度，表示、两点的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过点时的瞬时速度。用表示重力加速度，完成下列填空和作图。
⑴ 若将滑块自点由静止释放，则在滑块从运动至的过程中，滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为_______________________________，动能的增加量可表示为_______________________________。若在运动的过程中机械能守恒，则与的关系式为______________________。
⑵ 多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点（点）下滑，测量相应的与值，结果如下表所示：
1 2 3 4 5
0.600 0.800 1.000 1.200 1.400
8.22 7.17 6.44 5.85 5.43
1.48 1.95 2.41 2.92 3.39

以为横坐标，为纵坐标，在坐标纸中描出第1和第5个数据点；根据5个数据点作直线，求得该直线的斜率______________（保留3位有效数字）。

⑶ 由测得的、、、和数值可以计算出直线的斜率，将和进行比较，若其差值在实验允许的范围内，则可认为此实验验证了机械能守恒定律。
⑴ ，，；⑵ 2.40；






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