8.5 实验：验证机械能守恒定律（基础达标）学案— 2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第二册（word含答案）
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| 名称 | 8.5 实验：验证机械能守恒定律（基础达标）学案— 2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第二册（word含答案） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 248.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-05-09 05:59:56 | ||
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文档简介
第八章机械能守恒定律
第5节实验：验证机械能守恒定律
【素养目标】
通过对实验思路和方案的思考分析,进一步理解机械能守恒定律
通过动手做实验,掌握实验的操作技能，提升动手能力
【必备知识】
知识点1实验思路、
物理量的测量
1实验目的
会用打点计时器打下的纸带计算算物体运动的速度。
(2)掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原州和方法。
2.实验原理
(1)在自由落体运动中，物体的重力势能和动能可以相互转化,但总机械能守恒。有两种方案可以验证物体的机械能守恒。
方案Ⅰ
:以重物下落的起始点0为基准，设重物的质量为m,借助打点计时器，测出重物某时刻的下落高度h和该时刻的瞬时速度v,若在误差允许范围内，有mgh=，即可验证机械能守恒定律。
方案II
:任意找两点A、B,分别测出两点的速度大小以及两点之间的距离。若在误差允许范围内，有mg，即可验证机械能守恒定律。
(2)计算n点瞬时速度的方法:测出n点前、后相邻两段相等时间T内重物下落的距离和(或测出和),由公式（或）即可得到n点的瞬时速度，如图所示。
3.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(4-6V)。
4.实验步骤
(1)安装实验装置
如图所示,将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，用导线将打点计时器与低压交流电源相连接。
(2)进行实验
①将纸带的端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落,打点结束后立即关闭打点计时器的电源。
②更换纸带重复做3-5次实验。
知识点2实验数据处理
1选取纸带(分两种情况)
(1)如果根据mgh=验证，应选点迹清晰，所打点在同一条直线上，且第1、2两点间距离小于2
mm的纸带。(根据h=，当t=0.02
s时h=1.96
mm,说明重物是在打第一个点时开始下落的)
(2)如果根据mg验证，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否小于2
mm就无关紧要了,只要后面的点迹清晰就可选用。
2.纸带处理方法
方法一:利用起始点和第n点计算。代人mg和，如果在实验误差允许的范围内mg,和相等，即可验证机械能守恒定律。
方法二:任取两点计算
(1)任取两点A
.B,测出
,计算出mg
(2)计算出的值。
(3)在实验误差允许的范围内,若mg=成立，即可验证机械能守恒定律。
方法三:图像法。从纸带上选取多个点,测量从第一点到选取各点的下落高度h,并计算出各点速度的二次方,然后以为纵轴,以h为横轴，根据实验数据绘出-h图线。若在误差允许的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。
特别提醒
实验中要根据纸带求出物体实际下落的速度，而不能利用或v=gt计算。同样的道理，重物下落的高度h也只能用刻度尺直接测量,而不能用h=
或h=计算。
知识点3.实验注意事项及误差分析
实验中的注意事项
误差来源
减小误差的措施
实验注意事项
阻力的影响
设法减小阻力
打点计时器应安装稳固，限位孔在一竖直线上，减小纸带与限位孔间的摩擦阻力
减小重物体积可减小空气阻力
增大重物重力
选用密度较大的重物，一般用铁块
实验操作不当
调节打点计时器
注意将打点计时器接在低压交流电源上，调节好振针的高度，使打出的点点迹清晰
注意释放纸带与接通电源的顺序
接通电源，待打点计时器工作稳定后再释放纸带
选择纸带
选择点迹清晰的纸带，最好是1点和第2点间距距离小于2mm的纸带
测量误差
h误差
防止分段测量增大误差
各点对应的下落高度均从起点测量，不可用累加法，否则将增大误差
v误差
减小相对误差
用比用相对误差小
2.误差分析
(1)重物和纸带下落过程中要克服阻力，主要来自于纸带与打点计时器之间的摩擦力。由于阻力的存在，重物动能的增加量会稍小于重力势能的减少量，即<。
(2)若交流电的实际频率f>50Hz,但纸带的速度仍按频率为50
Hz来计算，由于频率的计算值比实际值偏小,周期偏大，算得的速度值偏小，动能也就偏小，会使得<的误差进一步加大。
同理，若f<50
Hz,则可能出现＞的结果。
(3)实验用的纸带长度一般小于1
m,从起始点开始大约能打出20个点。终结位置的点可选择倒数第二个点，从这一点向前数4~6个点当开始的点,这样可以减小这些点对应的瞬时速度及两点之间距离(高度差h)的测量误差。
【课堂检测】
1．在“用打点计时器验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法正确的是(
)
A．实验中必需用天平测量重物的质量
B．打点计时器的两个限位孔应在同一竖直线上
C．需使用秒表测出重物下落的时间
D．打点结束应先检查纸带点迹是否清晰，再关闭电源
【答案】B
【详解】
A.
验证机械能守恒定律时，重物重力势能的减少量，重物动能的增加量；验证两者是否相等时，可把质量消去，不需要测量质量，A错误；
B.自由落体运动是在竖直方向上的运动，所以为了减小实验过程中的摩擦，打点计时器的两个限位孔应在同一竖直线上，B正确；
C.打点计时器是一种计时仪器，不需要秒表测量时间，C错误；
D.打点结束后先关闭电源，再检查纸带，D错误．
2．“验证机械能守恒定律”的实验装置如图所示，实验中发现重物增加的动能略小于减少的重力势能，其主要原因是（ ）
A．重物的质量过大
B．重物的体积过小
C．电源的电压偏低
D．重物及纸带在下落时受到阻力
【答案】D
【详解】
A．重物的质量过大，重物和纸带受到的阻力相对较小，所以有利于减小误差，故A错误；
B．重物的体积过小，有利于较小阻力，所以有利于减小误差，故B错误；
C．电源的电压偏低，电磁铁产生的吸力就会减小，吸力不够，打出的点也就不清晰了，与误差的产生没有关系，故C错误；
D．重物及纸带在下落时受到阻力，从能量转化的角度，由于阻力做功，重力势能减小除了转化给了动能还有一部分转化给摩擦产生的内能，所以重物增加的动能略小于减少的重力势能，故D正确。
故选D。
【素养作业】
1．在《验证机械能守恒定律》的实验中，下列说法正确的是（ ）
A．先释放纸带，后接通电源
B．用天平测量重物质量，用秒表测量重物下落时间
C．重物动能的增加量一定大于重力势能的减小量
D．打点计时器必须竖直安装，使两限位孔在同一竖直线上
【答案】D
【解析】A．必须先接通电源，后释放纸带，否则有一段纸带打不上点，甚至整条纸带都打不上点，A错误；
B.
不用天平测量重物质量，因为验证机械能守恒定律的表达式两侧都有质量；不用秒表测量重物下落时间，用打点计时器记录时间，B错误；
C.
由于重物下落过程中受到空气阻力而损失机械能，重物动能的增加量一定小于重力势能的减小量，C错误；
D.
为了减小纸带与打点计时器的摩擦，打点计时器必须竖直安装，使两限位孔在同一竖直线上，D正确。
故选D。
2．在“验证机械能守恒定律”的实验中,供选择的重物有以下四个，应选择(
)
A．质量为100g的钩码
B．质量为10g的砝码
C．质量为200g的木球
D．质量为10g的塑料球
【答案】A
【解析】由于实验中受到空气阻力和纸带的摩擦阻力，所以我们应找体积较小，质量较大的物体作为研究对象，故A正确，BCD错误。
故选A。
3．做“验证机械能守恒定律”的实验时，一同学分析得出的实验结果是重锤重力势能的减少量小于动能的增加量。下列对造成该实验结果的原因分析正确的是（ ）
A．空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力
B．选用重锤的质量过大
C．交流电源的频率大于50Hz
D．交流电源的频率小于50Hz
【答案】D
【解析】A．在重锤下落过程中，重锤需克服空气的阻力及打点计时器对纸带的阻力做功，重锤减少的重力势能在克服阻力做功的过程中消耗掉一部分，因此重锤减少的重力势能总是大于重锤增加的动能，故A错误；
B．“验证机械能守恒定律”的实验结论与重锤的质量无关，故B错误；
CD．若交流电的频率，由于速度值仍按频率为50Hz计算，频率的计算值比实际值偏大，周期值偏小，算得的速度值偏大，动能值也就偏大，则可能出现的结果，故C错误，D正确。
故选D。
4．某同学做“验证机械能守恒定律”的实验时，从打出的一条纸带中选取了清晰的点进行研究，根据所学的知识计算出打2、3两计数点时纸带的瞬时速度，并用、表示，用刻度尺测量出2、3两计数点之间的距离，用表示。验证机械能守恒定律的关系式应为（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】B
【解析】2→3的过程
所以需验证的表达式为
即
故选B。
5．在“验证机械能守恒定律”的实验中，通过打点计时器得到的纸带如图所示，在纸带上选取了0~6的计数点，并用刻度尺依次测量出了相邻两点之间的距离。则下列选项正确的是（ ）
A．纸带中第一个计数点的速度必须为零
B．可将计数点1~5的瞬时速度利用平均速度直接求出
C．由于0、6两计数点为纸带的端点，因此不能计算出这两点的速度
D．由题中的数据计算出的加速度应为当地的重力加速度
【答案】B
【解析】A．在“验证机械能守恒定律”的实验中，计数点可以任意选择，没必要必须从速度为零的起点开始，故A错误；
B．计算瞬时速度是利用平均速度等于中间时刻的瞬间速度求出的，故B正确；
C．根据运动学公式可知
即可求出0点速度，同理可得到6点的速度，故C错误；
D．由题中的数据计算出的加速度已包含了空气阻力的影响，故D错误。
故选B。
6．用落体法验证机械能守恒定律的实验中得到如图所示纸带。根据纸带算出相关各点的速度v，测量出下落距离h，则以为纵轴，以h为横轴画出的图像应是( )
A．
B．C．
D．
【答案】C
【解析】由机械能守恒定律得：mgh＝mv2
得＝gh，可以看出与h成正比例关系，图线是过原点的直线，ABD错误，C正确。
故选C。
7．在做“验证机械能守恒定律”实验时，下列实验操作中正确合理的一项是
A．先放开纸带让重物下落，再接通打点计时器的电源
B．必须用秒表测出重锤下落的时间
C．先取下固定在重物上的打好点的纸带，再切断打点计时器的电源
D．选取重物时，其质量适当大点，可以减小因阻力而产生的误差
【答案】D
【解析】如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计时时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差，故A错误；打点计时器就是计时仪器，不需要秒表测量重锤下落的时间，选项B错误；实验结束应立即切断电源以防仪器的损坏，然后再取下固定在重物上的打好点的纸带，故C错误；选取重物时，其质量适当大点，可以减小因阻力而产生的误差，故D正确．故选D．
第5节实验：验证机械能守恒定律
【素养目标】
通过对实验思路和方案的思考分析,进一步理解机械能守恒定律
通过动手做实验,掌握实验的操作技能，提升动手能力
【必备知识】
知识点1实验思路、
物理量的测量
1实验目的
会用打点计时器打下的纸带计算算物体运动的速度。
(2)掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原州和方法。
2.实验原理
(1)在自由落体运动中，物体的重力势能和动能可以相互转化,但总机械能守恒。有两种方案可以验证物体的机械能守恒。
方案Ⅰ
:以重物下落的起始点0为基准，设重物的质量为m,借助打点计时器，测出重物某时刻的下落高度h和该时刻的瞬时速度v,若在误差允许范围内，有mgh=，即可验证机械能守恒定律。
方案II
:任意找两点A、B,分别测出两点的速度大小以及两点之间的距离。若在误差允许范围内，有mg，即可验证机械能守恒定律。
(2)计算n点瞬时速度的方法:测出n点前、后相邻两段相等时间T内重物下落的距离和(或测出和),由公式（或）即可得到n点的瞬时速度，如图所示。
3.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(4-6V)。
4.实验步骤
(1)安装实验装置
如图所示,将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，用导线将打点计时器与低压交流电源相连接。
(2)进行实验
①将纸带的端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落,打点结束后立即关闭打点计时器的电源。
②更换纸带重复做3-5次实验。
知识点2实验数据处理
1选取纸带(分两种情况)
(1)如果根据mgh=验证，应选点迹清晰，所打点在同一条直线上，且第1、2两点间距离小于2
mm的纸带。(根据h=，当t=0.02
s时h=1.96
mm,说明重物是在打第一个点时开始下落的)
(2)如果根据mg验证，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否小于2
mm就无关紧要了,只要后面的点迹清晰就可选用。
2.纸带处理方法
方法一:利用起始点和第n点计算。代人mg和，如果在实验误差允许的范围内mg,和相等，即可验证机械能守恒定律。
方法二:任取两点计算
(1)任取两点A
.B,测出
,计算出mg
(2)计算出的值。
(3)在实验误差允许的范围内,若mg=成立，即可验证机械能守恒定律。
方法三:图像法。从纸带上选取多个点,测量从第一点到选取各点的下落高度h,并计算出各点速度的二次方,然后以为纵轴,以h为横轴，根据实验数据绘出-h图线。若在误差允许的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。
特别提醒
实验中要根据纸带求出物体实际下落的速度，而不能利用或v=gt计算。同样的道理，重物下落的高度h也只能用刻度尺直接测量,而不能用h=
或h=计算。
知识点3.实验注意事项及误差分析
实验中的注意事项
误差来源
减小误差的措施
实验注意事项
阻力的影响
设法减小阻力
打点计时器应安装稳固，限位孔在一竖直线上，减小纸带与限位孔间的摩擦阻力
减小重物体积可减小空气阻力
增大重物重力
选用密度较大的重物，一般用铁块
实验操作不当
调节打点计时器
注意将打点计时器接在低压交流电源上，调节好振针的高度，使打出的点点迹清晰
注意释放纸带与接通电源的顺序
接通电源，待打点计时器工作稳定后再释放纸带
选择纸带
选择点迹清晰的纸带，最好是1点和第2点间距距离小于2mm的纸带
测量误差
h误差
防止分段测量增大误差
各点对应的下落高度均从起点测量，不可用累加法，否则将增大误差
v误差
减小相对误差
用比用相对误差小
2.误差分析
(1)重物和纸带下落过程中要克服阻力，主要来自于纸带与打点计时器之间的摩擦力。由于阻力的存在，重物动能的增加量会稍小于重力势能的减少量，即<。
(2)若交流电的实际频率f>50Hz,但纸带的速度仍按频率为50
Hz来计算，由于频率的计算值比实际值偏小,周期偏大，算得的速度值偏小，动能也就偏小，会使得<的误差进一步加大。
同理，若f<50
Hz,则可能出现＞的结果。
(3)实验用的纸带长度一般小于1
m,从起始点开始大约能打出20个点。终结位置的点可选择倒数第二个点，从这一点向前数4~6个点当开始的点,这样可以减小这些点对应的瞬时速度及两点之间距离(高度差h)的测量误差。
【课堂检测】
1．在“用打点计时器验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法正确的是(
)
A．实验中必需用天平测量重物的质量
B．打点计时器的两个限位孔应在同一竖直线上
C．需使用秒表测出重物下落的时间
D．打点结束应先检查纸带点迹是否清晰，再关闭电源
【答案】B
【详解】
A.
验证机械能守恒定律时，重物重力势能的减少量，重物动能的增加量；验证两者是否相等时，可把质量消去，不需要测量质量，A错误；
B.自由落体运动是在竖直方向上的运动，所以为了减小实验过程中的摩擦，打点计时器的两个限位孔应在同一竖直线上，B正确；
C.打点计时器是一种计时仪器，不需要秒表测量时间，C错误；
D.打点结束后先关闭电源，再检查纸带，D错误．
2．“验证机械能守恒定律”的实验装置如图所示，实验中发现重物增加的动能略小于减少的重力势能，其主要原因是（ ）
A．重物的质量过大
B．重物的体积过小
C．电源的电压偏低
D．重物及纸带在下落时受到阻力
【答案】D
【详解】
A．重物的质量过大，重物和纸带受到的阻力相对较小，所以有利于减小误差，故A错误；
B．重物的体积过小，有利于较小阻力，所以有利于减小误差，故B错误；
C．电源的电压偏低，电磁铁产生的吸力就会减小，吸力不够，打出的点也就不清晰了，与误差的产生没有关系，故C错误；
D．重物及纸带在下落时受到阻力，从能量转化的角度，由于阻力做功，重力势能减小除了转化给了动能还有一部分转化给摩擦产生的内能，所以重物增加的动能略小于减少的重力势能，故D正确。
故选D。
【素养作业】
1．在《验证机械能守恒定律》的实验中，下列说法正确的是（ ）
A．先释放纸带，后接通电源
B．用天平测量重物质量，用秒表测量重物下落时间
C．重物动能的增加量一定大于重力势能的减小量
D．打点计时器必须竖直安装，使两限位孔在同一竖直线上
【答案】D
【解析】A．必须先接通电源，后释放纸带，否则有一段纸带打不上点，甚至整条纸带都打不上点，A错误；
B.
不用天平测量重物质量，因为验证机械能守恒定律的表达式两侧都有质量；不用秒表测量重物下落时间，用打点计时器记录时间，B错误；
C.
由于重物下落过程中受到空气阻力而损失机械能，重物动能的增加量一定小于重力势能的减小量，C错误；
D.
为了减小纸带与打点计时器的摩擦，打点计时器必须竖直安装，使两限位孔在同一竖直线上，D正确。
故选D。
2．在“验证机械能守恒定律”的实验中,供选择的重物有以下四个，应选择(
)
A．质量为100g的钩码
B．质量为10g的砝码
C．质量为200g的木球
D．质量为10g的塑料球
【答案】A
【解析】由于实验中受到空气阻力和纸带的摩擦阻力，所以我们应找体积较小，质量较大的物体作为研究对象，故A正确，BCD错误。
故选A。
3．做“验证机械能守恒定律”的实验时，一同学分析得出的实验结果是重锤重力势能的减少量小于动能的增加量。下列对造成该实验结果的原因分析正确的是（ ）
A．空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力
B．选用重锤的质量过大
C．交流电源的频率大于50Hz
D．交流电源的频率小于50Hz
【答案】D
【解析】A．在重锤下落过程中，重锤需克服空气的阻力及打点计时器对纸带的阻力做功，重锤减少的重力势能在克服阻力做功的过程中消耗掉一部分，因此重锤减少的重力势能总是大于重锤增加的动能，故A错误；
B．“验证机械能守恒定律”的实验结论与重锤的质量无关，故B错误；
CD．若交流电的频率，由于速度值仍按频率为50Hz计算，频率的计算值比实际值偏大，周期值偏小，算得的速度值偏大，动能值也就偏大，则可能出现的结果，故C错误，D正确。
故选D。
4．某同学做“验证机械能守恒定律”的实验时，从打出的一条纸带中选取了清晰的点进行研究，根据所学的知识计算出打2、3两计数点时纸带的瞬时速度，并用、表示，用刻度尺测量出2、3两计数点之间的距离，用表示。验证机械能守恒定律的关系式应为（ ）
A．
B．
C．
D．
【答案】B
【解析】2→3的过程
所以需验证的表达式为
即
故选B。
5．在“验证机械能守恒定律”的实验中，通过打点计时器得到的纸带如图所示，在纸带上选取了0~6的计数点，并用刻度尺依次测量出了相邻两点之间的距离。则下列选项正确的是（ ）
A．纸带中第一个计数点的速度必须为零
B．可将计数点1~5的瞬时速度利用平均速度直接求出
C．由于0、6两计数点为纸带的端点，因此不能计算出这两点的速度
D．由题中的数据计算出的加速度应为当地的重力加速度
【答案】B
【解析】A．在“验证机械能守恒定律”的实验中，计数点可以任意选择，没必要必须从速度为零的起点开始，故A错误；
B．计算瞬时速度是利用平均速度等于中间时刻的瞬间速度求出的，故B正确；
C．根据运动学公式可知
即可求出0点速度，同理可得到6点的速度，故C错误；
D．由题中的数据计算出的加速度已包含了空气阻力的影响，故D错误。
故选B。
6．用落体法验证机械能守恒定律的实验中得到如图所示纸带。根据纸带算出相关各点的速度v，测量出下落距离h，则以为纵轴，以h为横轴画出的图像应是( )
A．
B．C．
D．
【答案】C
【解析】由机械能守恒定律得：mgh＝mv2
得＝gh，可以看出与h成正比例关系，图线是过原点的直线，ABD错误，C正确。
故选C。
7．在做“验证机械能守恒定律”实验时，下列实验操作中正确合理的一项是
A．先放开纸带让重物下落，再接通打点计时器的电源
B．必须用秒表测出重锤下落的时间
C．先取下固定在重物上的打好点的纸带，再切断打点计时器的电源
D．选取重物时，其质量适当大点，可以减小因阻力而产生的误差
【答案】D
【解析】如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计时时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差，故A错误；打点计时器就是计时仪器，不需要秒表测量重锤下落的时间，选项B错误；实验结束应立即切断电源以防仪器的损坏，然后再取下固定在重物上的打好点的纸带，故C错误；选取重物时，其质量适当大点，可以减小因阻力而产生的误差，故D正确．故选D．