高中物理人教版必修二导学案 7.9 实验：验证机械能守恒定律 Word版含答案
文档属性
| 名称 | 高中物理人教版必修二导学案 7.9 实验：验证机械能守恒定律 Word版含答案 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 414.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-05-07 13:55:37 | ||
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文档简介
9 实验：验证机械能守恒定律
知识体系
关键点击
1种选纸带技巧——选第1、2两点间的距离接近2 mm的纸带
2种数据处理方法——公式法、图象法
知识点一 实验原理
做自由落体运动的物体，在下落过程中，重力势能减少，动能增加，如果重力势能的减少量等于动能的增加量，就验证了机械能守恒定律．
知识点二 实验器材
铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(4 V～6 V)．
知识点三 实验步骤
(1)安装装置：按下图甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好．
(2)打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近．先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下落．重复几次，得到3～5条打好点的纸带．
(3)选纸带：从打好点的纸带中挑选点迹清晰且开始的两点间距接近2_mm的一条纸带，在起始点标上0，以后任取间隔相同时间的点依次标上1、2、3….
(4)测距离：用刻度尺测出0到1、2、3…的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3….
知识点四 数据处理
(1)计算各点对应的瞬时速度：根据公式vn＝，计算出1、2、3…n点的瞬时速度v1、v2、v3…vn.
(2)机械能守恒定律验证
方法一：利用起始点和第n点．
如果在实验误差允许范围内ghn＝v，则机械能守恒定律得到验证．
方法二：任取两点A、B.
如果在实验误差允许范围内ghAB＝v－v，则机械能守恒定律得到验证．
方法三：图象法(如图所示)
若在实验误差允许范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律．
1．实验时应竖直架稳计时器，并用导线将计时器接在直流电
源上．( )
[答案] ×
2．安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减少摩擦阻力．( )
[答案] √
3．计数点的瞬时速度可以用vn＝gtn或vn＝计算．( )
[答案] ×
4．释放纸带前要保持纸带竖直、静止不动，先接通电源，待打点计时器工作稳定后再释放纸带．( )
[答案] √
1．验证机械能守恒时，需要测量物体的质量吗？
[提示] 验证机械能守恒时，可以不测量物体的质量，只要比较v和ghn是否相等即可验证机械能是否守恒．
2．挑选纸带时，为什么要选1、2两点间的距离接近2 mm的纸带？
[提示] 挑选纸带时，要求打第1个点时速度为零，由h＝gt2，t＝0.02 s得h＝×9.8×(0.02)2 m＝1.96×10－3＝1.96 mm≈2 mm.
要点一 对实验原理和操作的理解
【典例】 如图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图．现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平．回答下列问题：
(1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有________．(填入正确选项前的字母)
A．米尺 B．秒表
C．低压直流电源 D．低压交流电源
(2)实验中产生误差的原因有：________________________________________________________________________________________________________________________________________________(写出两个原因)．
(3)实验中由于打点计时器两限位孔不在同一竖直线上，使纸带通过时受到较大阻力这样将造成________．
A．不清楚 B．mgh>mv2
C．mgh<mv2 D．mgh＝mv2
[思路点拨] 由于阻力作用，物体重力势能的减少量会大于动能的增加量．
[解析] (1)在处理数据时需要测量长度，故需要米尺；电磁打点计时器工作时需要使用低压交流电源；所以选项A、D正确．
(2)造成误差的原因有：①纸带和打点计时器之间有摩擦．②用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差．③计算势能变化时，选取始末位置过近．④交流电频率不稳定．
(3)由于阻力作用，物体重力势能的减少量大于动能的增加量，即mgh>mv2，选项B正确．
[答案] (1)AD
(2)①纸带和打点计时器之间有摩擦．②用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差．③计算势能变化时，选取始末位置过近．④交流电频率不稳定．(任选其二)
(3)B
在验证机械能守恒定律的实验中，对步骤的要求主要注意以下几点.?
(1(安装打点计时器时要竖直且固定好，使其两限位孔在同一竖直平面内，以减小摩擦阻力.?
(2(重物应选用质量和密度较大、体积较小的物体，以减小空气阻力的影响.?
(3(应先接通电源，让打点计时器正常工作后，再松开纸带让重物下落.
[针对训练] 在验证机械能守恒定律的实验中有位同学按以下步骤进行实验操作：
A．用天平称出重锤和夹子的质量；
B．固定好打点计时器，将连着重锤的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器；
C．松开纸带，接通电源，开始打点．并如此重复多次，以得到多条打点纸带；
D．取下纸带，挑选点迹清晰的纸带，记下起始点O，在距离O点较近处选择几个连续的计数点(或计时点)，并计算出各点的速度值；
E．测出各计数点到O点的距离，即得到重锤的下落高度；
F．计算出mghn和mv，看两者是否相等．
在以上步骤中，不必要的步骤是________；
有错误或不妥的步骤是________．(填写代表字母)
更正情况是：
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________；
③________________________________________________________________________；
④________________________________________________________________________.
[解析] A步骤不必要，不称量重锤和夹子的质量也可验证机械能守恒定律；B步骤中应让重锤尽量靠近打点计时器，而不是手靠近；C步骤中应先接通电源，后释放纸带；D步骤中应选取离O点较远的点，这样测量时距离较远，测量的相对误差较小；F步骤中应计算ghn和v的值，若m没有测量，则mgh、mv就不能计算出具体的值．
[答案] A BCDF ①B中手应抓住纸带末端，让重锤尽量靠近打点计时器 ②C中应先接通电源，再松开纸带 ③D中应选取离O点较远的点 ④F中应计算ghn和v的值
要点二 数据处理及误差分析
【典例】 用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中：
(1)运用公式mv2＝mgh进行验证，对实验条件的要求是__________________________．为验证和满足此要求，所选择的纸带前两点间的距离应接近________．
(2)若实验中所用重物的质量m＝1 kg，当地重力加速度值为9.8 m/s2，打点纸带如下图所示，打点时间间隔为0.02 s，则记录B点时，重物的速度为vB＝________，重物的动能为Ek＝________；从开始下落起至B点重物的重力势能的减少量是________，由此可以得出的结论是
________________________________________________________________________________________________________________________________________________.
(3)根据纸带数据算出相关各点的速度v，测量出下落高度h，则以为纵坐标，以h为横坐标作出的图象可能是________．
[思路点拨] 根据纸带上的数据可求出B点的速度，进而求出相应的动能．然后比较动能的增加量和重力势能的减小量是否近似相等，从而得出实验结论．
[解析] (1)物体自由下落时，在0.02 s内的位移应为h＝gt2＝×9.8×(0.02)2 m≈2 mm.
(2)vB＝＝0.59 m/s，此时重物的动能为Ek＝mv＝×1×(0.59)2 J＝0.174 J，重物的重力势能减少量为ΔEp＝mghOB＝1×9.8×17.6×10－3 J＝0.172 J
由此可得：在误差允许的范围内重物的机械能守恒．
(3)由机械能守恒定律可知，mv2＝mgh，即验证机械能守恒定律成立，只需验证＝gh即可．如果以为纵坐标，以h为横坐标，则作出的图象应为过原点且斜率为g的直线．
[答案] (1)打第一个点时重物的初速度为零 2 mm
(2)0.59 m/s 0.174 J 0.172 J 在误差允许的范围内重物的机械能守恒
(3)C
[针对训练] 某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律．安装打点计时器后，接通电源，让打点计时器正常工作后，松开纸带．
(1)将纸带上打出的第一个点记为0，并在离0点较远的任意点依次选取几个连续的点，分别记为1、2、3、…量出各点与0点的距离h，算出各点对应的速度，分别记为v1至v6，数据如表格所示：
代表符号
v1
v2
v3
v4
v5
v6
数值(m/s)
2.80
2.99
3.29
3.39
3.59
3.78
表格中有一个数据有较大误差，代表符号为________．
(2)修正数据后，该同学计算出各点对应速度的平方值，并作v2－h图象，如图乙所示，若得出的直线斜率为k，则可测出重力加速度g＝________.与真实值相比，测出的g值________．(选填“偏小”或“偏大”)
[解析] (1)根据mgh＝mv2得v＝可知v3的数据误差较大．
(2)由mgh＝mv2可得：g＝＝；由于重物和纸带下落过程中受到阻力作用，速度值偏小，即测量值与真实值相比，测出的值偏小．
[答案] (1)v3 (2) 偏小
知识体系
关键点击
1种选纸带技巧——选第1、2两点间的距离接近2 mm的纸带
2种数据处理方法——公式法、图象法
知识点一 实验原理
做自由落体运动的物体，在下落过程中，重力势能减少，动能增加，如果重力势能的减少量等于动能的增加量，就验证了机械能守恒定律．
知识点二 实验器材
铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(4 V～6 V)．
知识点三 实验步骤
(1)安装装置：按下图甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好．
(2)打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近．先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下落．重复几次，得到3～5条打好点的纸带．
(3)选纸带：从打好点的纸带中挑选点迹清晰且开始的两点间距接近2_mm的一条纸带，在起始点标上0，以后任取间隔相同时间的点依次标上1、2、3….
(4)测距离：用刻度尺测出0到1、2、3…的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3….
知识点四 数据处理
(1)计算各点对应的瞬时速度：根据公式vn＝，计算出1、2、3…n点的瞬时速度v1、v2、v3…vn.
(2)机械能守恒定律验证
方法一：利用起始点和第n点．
如果在实验误差允许范围内ghn＝v，则机械能守恒定律得到验证．
方法二：任取两点A、B.
如果在实验误差允许范围内ghAB＝v－v，则机械能守恒定律得到验证．
方法三：图象法(如图所示)
若在实验误差允许范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律．
1．实验时应竖直架稳计时器，并用导线将计时器接在直流电
源上．( )
[答案] ×
2．安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减少摩擦阻力．( )
[答案] √
3．计数点的瞬时速度可以用vn＝gtn或vn＝计算．( )
[答案] ×
4．释放纸带前要保持纸带竖直、静止不动，先接通电源，待打点计时器工作稳定后再释放纸带．( )
[答案] √
1．验证机械能守恒时，需要测量物体的质量吗？
[提示] 验证机械能守恒时，可以不测量物体的质量，只要比较v和ghn是否相等即可验证机械能是否守恒．
2．挑选纸带时，为什么要选1、2两点间的距离接近2 mm的纸带？
[提示] 挑选纸带时，要求打第1个点时速度为零，由h＝gt2，t＝0.02 s得h＝×9.8×(0.02)2 m＝1.96×10－3＝1.96 mm≈2 mm.
要点一 对实验原理和操作的理解
【典例】 如图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图．现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平．回答下列问题：
(1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有________．(填入正确选项前的字母)
A．米尺 B．秒表
C．低压直流电源 D．低压交流电源
(2)实验中产生误差的原因有：________________________________________________________________________________________________________________________________________________(写出两个原因)．
(3)实验中由于打点计时器两限位孔不在同一竖直线上，使纸带通过时受到较大阻力这样将造成________．
A．不清楚 B．mgh>mv2
C．mgh<mv2 D．mgh＝mv2
[思路点拨] 由于阻力作用，物体重力势能的减少量会大于动能的增加量．
[解析] (1)在处理数据时需要测量长度，故需要米尺；电磁打点计时器工作时需要使用低压交流电源；所以选项A、D正确．
(2)造成误差的原因有：①纸带和打点计时器之间有摩擦．②用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差．③计算势能变化时，选取始末位置过近．④交流电频率不稳定．
(3)由于阻力作用，物体重力势能的减少量大于动能的增加量，即mgh>mv2，选项B正确．
[答案] (1)AD
(2)①纸带和打点计时器之间有摩擦．②用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差．③计算势能变化时，选取始末位置过近．④交流电频率不稳定．(任选其二)
(3)B
在验证机械能守恒定律的实验中，对步骤的要求主要注意以下几点.?
(1(安装打点计时器时要竖直且固定好，使其两限位孔在同一竖直平面内，以减小摩擦阻力.?
(2(重物应选用质量和密度较大、体积较小的物体，以减小空气阻力的影响.?
(3(应先接通电源，让打点计时器正常工作后，再松开纸带让重物下落.
[针对训练] 在验证机械能守恒定律的实验中有位同学按以下步骤进行实验操作：
A．用天平称出重锤和夹子的质量；
B．固定好打点计时器，将连着重锤的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器；
C．松开纸带，接通电源，开始打点．并如此重复多次，以得到多条打点纸带；
D．取下纸带，挑选点迹清晰的纸带，记下起始点O，在距离O点较近处选择几个连续的计数点(或计时点)，并计算出各点的速度值；
E．测出各计数点到O点的距离，即得到重锤的下落高度；
F．计算出mghn和mv，看两者是否相等．
在以上步骤中，不必要的步骤是________；
有错误或不妥的步骤是________．(填写代表字母)
更正情况是：
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________；
③________________________________________________________________________；
④________________________________________________________________________.
[解析] A步骤不必要，不称量重锤和夹子的质量也可验证机械能守恒定律；B步骤中应让重锤尽量靠近打点计时器，而不是手靠近；C步骤中应先接通电源，后释放纸带；D步骤中应选取离O点较远的点，这样测量时距离较远，测量的相对误差较小；F步骤中应计算ghn和v的值，若m没有测量，则mgh、mv就不能计算出具体的值．
[答案] A BCDF ①B中手应抓住纸带末端，让重锤尽量靠近打点计时器 ②C中应先接通电源，再松开纸带 ③D中应选取离O点较远的点 ④F中应计算ghn和v的值
要点二 数据处理及误差分析
【典例】 用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中：
(1)运用公式mv2＝mgh进行验证，对实验条件的要求是__________________________．为验证和满足此要求，所选择的纸带前两点间的距离应接近________．
(2)若实验中所用重物的质量m＝1 kg，当地重力加速度值为9.8 m/s2，打点纸带如下图所示，打点时间间隔为0.02 s，则记录B点时，重物的速度为vB＝________，重物的动能为Ek＝________；从开始下落起至B点重物的重力势能的减少量是________，由此可以得出的结论是
________________________________________________________________________________________________________________________________________________.
(3)根据纸带数据算出相关各点的速度v，测量出下落高度h，则以为纵坐标，以h为横坐标作出的图象可能是________．
[思路点拨] 根据纸带上的数据可求出B点的速度，进而求出相应的动能．然后比较动能的增加量和重力势能的减小量是否近似相等，从而得出实验结论．
[解析] (1)物体自由下落时，在0.02 s内的位移应为h＝gt2＝×9.8×(0.02)2 m≈2 mm.
(2)vB＝＝0.59 m/s，此时重物的动能为Ek＝mv＝×1×(0.59)2 J＝0.174 J，重物的重力势能减少量为ΔEp＝mghOB＝1×9.8×17.6×10－3 J＝0.172 J
由此可得：在误差允许的范围内重物的机械能守恒．
(3)由机械能守恒定律可知，mv2＝mgh，即验证机械能守恒定律成立，只需验证＝gh即可．如果以为纵坐标，以h为横坐标，则作出的图象应为过原点且斜率为g的直线．
[答案] (1)打第一个点时重物的初速度为零 2 mm
(2)0.59 m/s 0.174 J 0.172 J 在误差允许的范围内重物的机械能守恒
(3)C
[针对训练] 某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律．安装打点计时器后，接通电源，让打点计时器正常工作后，松开纸带．
(1)将纸带上打出的第一个点记为0，并在离0点较远的任意点依次选取几个连续的点，分别记为1、2、3、…量出各点与0点的距离h，算出各点对应的速度，分别记为v1至v6，数据如表格所示：
代表符号
v1
v2
v3
v4
v5
v6
数值(m/s)
2.80
2.99
3.29
3.39
3.59
3.78
表格中有一个数据有较大误差，代表符号为________．
(2)修正数据后，该同学计算出各点对应速度的平方值，并作v2－h图象，如图乙所示，若得出的直线斜率为k，则可测出重力加速度g＝________.与真实值相比，测出的g值________．(选填“偏小”或“偏大”)
[解析] (1)根据mgh＝mv2得v＝可知v3的数据误差较大．
(2)由mgh＝mv2可得：g＝＝；由于重物和纸带下落过程中受到阻力作用，速度值偏小，即测量值与真实值相比，测出的值偏小．
[答案] (1)v3 (2) 偏小