新教材2023_2024學(xué)年高中物理第1章功和機(jī)械能實(shí)驗驗證機(jī)械能守恒定律課件魯科版必修第二冊-課件下載-教習(xí)網(wǎng)

第1章實(shí)驗:驗證機(jī)械能守恒定律1.掌握利用落體法驗證機(jī)械能守恒定律的原理和方法。(物理觀念)2.能在他人的幫助下設(shè)計實(shí)驗方案、獲取數(shù)據(jù);能分析數(shù)據(jù)、驗證機(jī)械能守恒定律。(科學(xué)探究)基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識全過關(guān)重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識全過關(guān)一、實(shí)驗?zāi)康?.驗證機(jī)械能守恒。2.進(jìn)一步熟悉打點(diǎn)計時器的使用。二、實(shí)驗器材鐵架臺(帶鐵夾)、打點(diǎn)計時器、交流電源(學(xué)生電源)、紙帶、重物、天平、砝碼、刻度尺。三、實(shí)驗原理1.讓帶有紙帶的重物自由下落,利用打點(diǎn)計時器記錄重物下落過程中的運(yùn)動情況,如圖甲、乙所示。選取紙帶上的某點(diǎn)(如點(diǎn)2)作為　　　　的起點(diǎn),量出紙帶上其他點(diǎn)(如點(diǎn)3、4、5)相對該點(diǎn)的距離作為　　　　。用　　　稱出重物的質(zhì)量,算出重物經(jīng)過這些點(diǎn)的重力勢能Ep=mgh。再計算重物經(jīng)過這些點(diǎn)(如點(diǎn)3、4)的瞬時速度,算出動能。通過比較重物經(jīng)過這些點(diǎn)(如點(diǎn)3、4)的機(jī)械能,得出實(shí)驗結(jié)論。?高度高度天平2.測定第n點(diǎn)的瞬時速度的方法:測出第n點(diǎn)的相鄰的前、后兩段相等時間T內(nèi)下落的距離,由平均速度公式算出。第3、4點(diǎn)的速度分別為四、實(shí)驗步驟1.使用天平稱出重物質(zhì)量。2.紙帶一端吊重物,另一端穿過打點(diǎn)計時器。手提紙帶,使重物　　　打點(diǎn)計時器并靜止。接通　　　,松開紙帶,讓重物自由落下。?3.取下紙帶,并選其中一個點(diǎn)作為　　　　,設(shè)打該點(diǎn)時重物的重力勢能為0,計算打該點(diǎn)時重物的動能,它就是重物下落過程中的動能與重力勢能的總和。?4.分別計算紙帶上其他各點(diǎn)對應(yīng)的重物的重力勢能和動能之和。注意:本實(shí)驗中重物的質(zhì)量不一定要測出?？拷娫磪⒖键c(diǎn)易錯辨析判一判(1)為了減小阻力的影響,驗證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗所用重物只要選擇質(zhì)量較大的物體即可。(　　)(2)在驗證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗中,求重物在某點(diǎn)的速度可以根據(jù)× 提示應(yīng)選擇密度較大且質(zhì)量較大的重物。 × (3)驗證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗時,應(yīng)先打開打點(diǎn)計時器電源,待打點(diǎn)穩(wěn)定后再釋放重物。(　　)(4)若驗證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗中不測量重物的質(zhì)量,則不能驗證機(jī)械能守恒定律。(　　)× √ 合格考試練一練(多選)在利用落體法驗證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗中,下列哪些器材為必需的(　　)A.打點(diǎn)計時器(包括紙帶)B.重物C.天平D.毫米刻度尺E.停表F.運(yùn)動小車ABD 重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究一　實(shí)驗數(shù)據(jù)分析的方法小明同學(xué)做驗證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗得到的紙帶如圖所示。他測出了起始點(diǎn)O到各個點(diǎn)的高度h,計算出打各點(diǎn)的速度v。(1)如何驗證機(jī)械能守恒定律?(2)圖像法是驗證物理規(guī)律的重要方法之一。實(shí)驗中各點(diǎn)的速度與其到起始點(diǎn)的高度相關(guān),能否通過速度與高度的關(guān)系圖像來驗證?為了便于分析,圖像的橫、縱坐標(biāo)應(yīng)表示什么物理量?為了驗證機(jī)械能守恒定律,應(yīng)做哪些分析?要點(diǎn)提示 (1)比較任意兩點(diǎn)的機(jī)械能是否相等。(2)v-h圖像為曲線,不便于分析。實(shí)驗中應(yīng)畫圖像,在誤差范圍內(nèi),若圖像為過原點(diǎn)的直線,且斜率k=g,則機(jī)械能守恒定律得到驗證。利用實(shí)驗數(shù)據(jù)驗證機(jī)械能守恒定律的方法(1)方法一:利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)(2)方法二:利用非起始點(diǎn)A點(diǎn)和B點(diǎn) (3)方法三:圖像法典例1　(1)用如圖所示的實(shí)驗裝置驗證機(jī)械能守恒定律,在下面所列舉的該實(shí)驗的幾個操作步驟中,你認(rèn)為沒有必要進(jìn)行的或者錯誤的步驟是　　　　(填字母代號)。?A.按照圖示的裝置安裝器件B.將打點(diǎn)計時器接到學(xué)生電源的直流輸出端上C.用天平測量出重物的質(zhì)量D.先放手讓紙帶和重物下落,再接通電源開關(guān)BCD E.在打出的紙帶上,依據(jù)打點(diǎn)的先后順序選取A、B、C、D四個合適的相鄰點(diǎn),通過測量計算得出B、C兩點(diǎn)的速度為vB、vC,并測出B、C兩點(diǎn)間的距離為h(2)實(shí)驗中,打點(diǎn)周期為0.02 s,自由下落的重物質(zhì)量為1 kg,打出一條理想的紙帶,數(shù)據(jù)如圖所示(單位是cm,g取9.8 m/s2),O、A之間有多個點(diǎn)沒畫出,打點(diǎn)計時器打下點(diǎn)B時,物體的速度vB=　　　　 m/s,從起點(diǎn)O到打下B點(diǎn)的過程中,重力勢能的減少量ΔEp=　　　　 J,此過程中物體動能的增量ΔEk=　　　　 J。(答案保留兩位有效數(shù)字)?0.980.490.48解析 (1)步驟B錯誤,應(yīng)該接到電源的交流輸出端;步驟C不必要,因為根據(jù)實(shí)驗原理,重物的動能和勢能表達(dá)式中都包含了質(zhì)量m,可以約去,所以不一定要測量重物的質(zhì)量;步驟D錯誤,應(yīng)先接通電源,待打點(diǎn)計時器工作穩(wěn)定后再釋放紙帶。從點(diǎn)O到點(diǎn)B,重力勢能的減少量ΔEp=mghOB=1×9.8×5.01×10-2 J=0.49 J此過程物體動能的增加量探究二　實(shí)驗誤差分析與注意事項某實(shí)驗小組在做驗證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗。(1)有同學(xué)根據(jù)自由落體運(yùn)動的位移公式h= gt2計算出紙帶上第1、2兩點(diǎn)間的距離應(yīng)該接近2 mm,所以選擇紙帶時一定選擇滿足這一條件的紙帶。(2)有同學(xué)計算出某兩點(diǎn)的重力勢能減小量大于其動能的增加量,這是不可能的。對(1)(2)中的觀點(diǎn),談?wù)勀愕目捶?。要點(diǎn)提示 (1)實(shí)驗中打點(diǎn)計時器的振針打點(diǎn)與釋放紙帶不同步,會造成第1、2點(diǎn)間的距離小于2 mm,取不包括始點(diǎn)的任意兩點(diǎn),根據(jù)減小的重力勢能與增加的動能是否相等也可以驗證機(jī)械能守恒定律的正確性。所以選擇紙帶不一定要滿足這一條件。(2)實(shí)驗中由于存在阻力,所以某兩點(diǎn)的重力勢能減小量大于動能的增加量是可能的。1.誤差分析(1)在進(jìn)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,從而導(dǎo)致重物的動能變化量略小于對應(yīng)的重力勢能的變化量。(3)由于交變電流的周期不穩(wěn)定,造成打點(diǎn)時間間隔變化而產(chǎn)生誤差。2.注意事項(1)打點(diǎn)計時器安裝要穩(wěn)固,并使兩限位孔的中線在同一豎直線上,以減小摩擦阻力。(2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物,增大重力可使阻力的影響相對減小,增大密度可以減小體積,可使空氣阻力的影響相對減小。(3)實(shí)驗時,應(yīng)先接通電源,讓打點(diǎn)計時器正常工作后再松開紙帶讓重物下落。(4)重物下落過程的始點(diǎn)和終點(diǎn)應(yīng)適當(dāng)遠(yuǎn)些。(5)本實(shí)驗中的兩種驗證方法均不一定需要測重物的質(zhì)量m。典例2　在利用落體法驗證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗中,有位同學(xué)按以下步驟進(jìn)行實(shí)驗操作:A.用天平稱出重錘和夾子的質(zhì)量B.固定好打點(diǎn)計時器,將連著重錘的紙帶穿過限位孔,用手提住,且讓手盡量靠近打點(diǎn)計時器C.松開紙帶,接通電源,開始打點(diǎn),并如此重復(fù)多次,以得到幾條打點(diǎn)的紙帶D.取下紙帶,挑選點(diǎn)跡清晰的紙帶,記下起始點(diǎn)O,在距離O點(diǎn)較近處選擇幾個連續(xù)計數(shù)點(diǎn)(或計時點(diǎn)),并計算出各點(diǎn)的速度值E.測出各計數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離,即得到重錘下落的高度在以上步驟中,不必要的步驟是　　　　。?有錯誤或不妥的步驟是　　　　。(填寫代表字母)?更正情況:①　 ;?②　 ;?③ 　 ;?④　。?A BCDFB中手應(yīng)抓住紙帶末端,讓重物盡量靠近打點(diǎn)計時器　 C中應(yīng)先接通電源,再松開紙帶 D中應(yīng)選取離O點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn) 解析 A步驟可有可無,不稱量重物的質(zhì)量也可驗證機(jī)械能守恒定律;B步驟中應(yīng)讓重物盡量靠近打點(diǎn)計時器,而不是手靠近;C步驟中應(yīng)先接通電源,后釋放紙帶;D步驟中應(yīng)選取離O點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn),這樣測量時距離較大,測量的相探究三　其他驗證機(jī)械能守恒定律的方案實(shí)驗設(shè)計原理:(1)創(chuàng)設(shè)物體或物體系統(tǒng)機(jī)械能守恒(或只有重力做功)的情境。(2)測量物體的速度(打點(diǎn)計時器、光電門等)、質(zhì)量和位置高度,計算不同狀態(tài)的機(jī)械能是否相等。典例3　利用氣墊導(dǎo)軌驗證機(jī)械能守恒定律,實(shí)驗裝置示意圖如圖所示。 (1)實(shí)驗步驟:①將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上,桌面高度不低于1 m,將導(dǎo)軌調(diào)至水平。②用游標(biāo)卡尺測出擋光條的寬度l=9.30 mm。③由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門中心間的距離s=　　　cm。?④將滑塊移至光電門1左側(cè)某處,待砝碼靜止時,釋放滑塊,要求砝碼落地前擋光條已通過光電門2。⑤從數(shù)字計時器(圖中未畫出)上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時間Δt1和Δt2。⑥用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量m1,再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量m2。60.00 (2)用直接測量出的物理量的字母寫出下列物理量的表達(dá)式。①滑塊通過光電門1和光電門2時,瞬時速度分別為v1=　　　　　和v2=　　　　　。?②當(dāng)滑塊通過光電門1和光電門2時,系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動能分別為Ek1=　　　　　　和Ek2=　　　　　　。?③在滑塊從光電門1運(yùn)動到光電門2的過程中,系統(tǒng)重力勢能的減少量ΔEp=　　　　　(重力加速度為g)。?(3)如果ΔEp=　　　　　　,則可認(rèn)為驗證了機(jī)械能守恒定律。?m2gs Ek2-Ek1 解析 (1)③距離s=80.30 cm-20.30 cm=60.00 cm。(2)①由于擋光條寬度很小,因此可以將擋光條通過光電門時的平均速度當(dāng)成瞬時速度,擋光條的寬度l可用游標(biāo)卡尺測量,擋光時間Δt可從數(shù)字計時器上讀出,因此,滑塊通過光電門1和光電門2時的瞬時速度分別為③在滑塊從光電門1運(yùn)動到光電門2的過程中,系統(tǒng)重力勢能的減少量ΔEp=m2gs。(3)如果在誤差允許的范圍內(nèi)ΔEp=Ek2-Ek1,則可認(rèn)為驗證了機(jī)械能守恒定律。規(guī)律方法　本實(shí)驗采用氣墊導(dǎo)軌驗證多物體系統(tǒng)的機(jī)械能守恒定律,計算滑塊速度的方法、驗證方法不變。學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)1234561.在利用落體法驗證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗中,以下說法正確的是(　　)A.實(shí)驗中摩擦是不可避免的,因此紙帶越短越好,因為紙帶越短,克服摩擦力做的功就越小,誤差就越小B.實(shí)驗時應(yīng)稱出重錘的質(zhì)量C.紙帶上第1、2兩點(diǎn)間距若不接近2 mm,則無論怎樣處理實(shí)驗數(shù)據(jù),實(shí)驗誤差一定較大D.處理打完點(diǎn)的紙帶時,可以直接利用打點(diǎn)計時器打出的實(shí)際點(diǎn)跡,而不必采用“計數(shù)點(diǎn)”的方法D 123456解析在打紙帶時,紙帶太短了,不易打出符合實(shí)驗要求的紙帶,選項A錯誤;自由落體加速度較大,紙帶上點(diǎn)跡距離較大,故可直接用實(shí)際點(diǎn)跡測量研究,選項D正確。1234562.用如圖所示裝置驗證機(jī)械能守恒定律,由于打點(diǎn)計時器兩限位孔不在同一豎直線上,使紙帶通過時受到較大的阻力,這樣實(shí)驗造成的結(jié)果是(　　)A.重力勢能的減少量明顯大于動能的增加量B.重力勢能的減少量明顯小于動能的增加量C.重力勢能的減少量等于動能的增加量D.以上幾種情況都有可能A解析由于重物下落時要克服阻力做功,重物減少的重力勢能轉(zhuǎn)化為重物的動能和系統(tǒng)的內(nèi)能,故重力勢能的減少量明顯大于動能的增加量,A正確。134563.在利用落體法驗證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗中,某同學(xué)依據(jù)紙帶求得相關(guān)各點(diǎn)的瞬時速度,以及與各瞬時速度相對應(yīng)的從第一個點(diǎn)開始下落的距離h,以v2為縱軸,以h為橫軸,建立坐標(biāo)系,描點(diǎn)后畫出變化圖線,從而驗證機(jī)械能守恒定律,若所有操作均正確,則得到的v2-h圖像應(yīng)是下圖中的(　　)2C解析由 =mgh得v2=2gh,所以v2∝h,所畫v2-h圖像是一條通過原點(diǎn)的直線,故選C。134564.驗證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗中,某同學(xué)利用圖甲實(shí)驗裝置進(jìn)行實(shí)驗,正確完成操作后,得到一條點(diǎn)跡清晰的紙帶,如圖乙所示,其中O點(diǎn)為紙帶起始點(diǎn),兩相鄰計數(shù)點(diǎn)時間間隔為T。甲乙 213456(1)關(guān)于上述實(shí)驗,下列說法正確的是　。?A.重物最好選擇密度較小的木塊B.重物的質(zhì)量可以不測量C.實(shí)驗中應(yīng)先接通電源,后釋放紙帶(2)若重物質(zhì)量為m,重力加速度為g,利用紙帶所測數(shù)據(jù),計算出C點(diǎn)的速度vC=　　　　　　,在誤差允許范圍內(nèi),根據(jù) =　　　　驗證機(jī)械能守恒定律。(用字母表示)?2BCmgh 13456(3)在實(shí)驗中,該同學(xué)發(fā)現(xiàn)小球重力勢能的減少量總是略大于小球動能的增加量,分析原因可能是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。(只需說明一種即可)?2空氣阻力影響或紙帶和限位孔的摩擦力影響134562解析 (1)為了減少空氣阻力給實(shí)驗帶來的影響,重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小的,即重物最好選擇密度較大的鐵塊,故A錯誤;實(shí)驗過程,我們要驗證重134562(3)在實(shí)驗中,小球重力勢能的減少量總是略大于小球動能的增加量,分析原因可能是受空氣阻力的影響或紙帶與限位孔之間的摩擦力影響。134565.現(xiàn)利用如圖所示裝置驗證機(jī)械能守恒定律。圖中AB是固定的光滑斜面,斜面的傾角為30°,1和2是固定在斜面上適當(dāng)位置的兩個光電門,與它們連接的光電計時器都沒有畫出。讓滑塊從斜面的頂端滑下,光電門1、2各自連接的光電計時器顯示的擋光時間分別為5.00×10-2 s、2.00×10-2 s。已知滑塊質(zhì)量為2.00 kg,滑塊沿斜面方向的長度為5.00 cm,光電門1和2之間的距離為0.54 m。(g取9.80 m/s2,取滑塊經(jīng)過光電門時的速度為其平均速度)(1)滑塊經(jīng)過光電門1時的速度v1=　　　　 m/s,通過光電門2時的速度v2=　　　　 m/s。?(2)滑塊通過光電門1、2之間的動能增加量為　　　　 J,重力勢能的減少量為　　　　 J。?21.002.505.255.29134562重力勢能的減少量ΔEp=2.00×9.80×0.54×sin 30° J=5.29 J。134566.如圖甲所示的實(shí)驗裝置可以用來驗證機(jī)械能守恒定律。一根不可伸長的輕繩一端固定在O點(diǎn),另一端系住質(zhì)量為m的小球,O點(diǎn)到小球重心的距離為L,將繩子拉開一定的角度后(繩子與豎直方向的夾角為θ),將小球由靜止釋放。在最低點(diǎn)附近放置一組光電門,可測出小球通過時的擋光時間t(小球擺到最低點(diǎn)時球心正對光電門),再用游標(biāo)卡尺測出小球的直徑D,重力加速度為g。甲 213456(1)用游標(biāo)卡尺測量小球的直徑D時,示數(shù)如圖乙所示,則小球的直徑D為　　　　 mm;?乙 (2)若等式　　　　　　(用D、L、t、g、θ表示)成立,說明小球在下擺過程中機(jī)械能守恒。?211.4134562解析 (1)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為D=11 mm+4×0.1 mm=11.4 mm。