1、5.实验：验证机械能守恒定律课标要求1.理解验证机械能守恒定律的原理会设计实验方案，确定需要测量的物理量，并采用正确的方法测量相关的物理量(科学思维)2能够控制实验条件，正确进行实验操作，获取物体下落的高度和速度大小等数据，会分析动能增加量小于重力势能减少量的原因，并采取相应措施，以减小实验误差(科学探究)3树立实事求是的科学态度，培养认真严谨的科学精神(科学态度与责任)必备知识自主学习突出基础性素养夯基一、实验思路机械能守恒的前提是“只有_做功”，因此研究过程一定要满足这一条件1情形1：自由下落的物体只【实际中只要重力远大于阻力就可以】受到_作用，满足机械能守恒的条件2情形2：物体沿光滑斜面
2、【实际中不存在，只能尽量减少摩擦】下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力与物体位移方向垂直，对物体_，也满足机械能守恒的条件二、物理量的测量【运动过程中经过的任意两个状态】及数据分析只有重力做功时，只发生重力势能和动能的转化(1)要验证的表达式：12mv22mgh212mv12mgh1或12mv22-12mv12_(2)需测量的物理量【两边都与质量成正比，因此不需要测量质量】：物体所处位置的_，及物体的_关键能力合作探究突出综合性素养形成探究点一教材原型实验核心归纳一、实验步骤1安装置：按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路2打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另
3、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。更换纸带重复做35次实验。3选纸带：分两种情形(1)若根据12mv2mgh验证：应选点迹清晰，且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带若1、2两点间的距离大于2 mm，这是先释放纸带，后接通电源造成的这样，第1个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选(2)若根据12mvB2-12mvA2mgh验证：由于重物重力势能的变化是绝对的，处理纸带上的数据时，应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为2 mm就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用二、
4、数据处理1计算瞬时速度在纸带上选取几个计数点，测量出各计数点到释放点O点的距离h1、h2、h3、，根据vnhn+1-hn-12T算出各点的瞬时速度2验证机械能守恒定律的三种方法方法一：利用起始点和第n个点计算测量相关数据，算出mghn和12mvn2，如果在实验误差允许的条件下mghn和12mvn2相等，则验证了机械能守恒定律方法二：任取两点计算(1)任取两点A、B并测出h，算出mgh.(2)测量相关数据，算出12mvB2-12mvA2的值(3)在实验误差允许的条件下，若12mvB2-12mvA2mgh成立，则验证了机械能守恒定律方法三：图像法计算各计数点的12v2，以12v2为纵轴，以各计数点
5、到第一个点的距离h为横轴，根据实验数据绘出12v2 h图线，如图所示若在误差许可的范围内图像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应用体验例12022安徽亳州高一联考某实验小组用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律某同学按照正确操作得到的纸带如图乙所示，其中O是起始点，M、N、P为从合适位置开始选取的连续点中的三个点，打点频率为50 Hz，该同学用刻度尺测量O到M、N、P各点的距离，并记录在图乙中，已知重物的质量为0.5 kg，取重力加速度g9.80 m/s2.(1)在实验过程中，下列实验操作和数据处理正确的是_A释放重物前，使重物尽量远离打点计时器B做实验时，先接通打点计时器
6、的电源，再释放重物C为测量打点计时器打下某点时重物的速度v，可测量该点到O点的距离h，再根据公式v2gh计算D为测量打点计时器打下某点时重物的速度v，可测量该点到O点的时间t再根据公式vgt计算(2)打点计时器打“N”点时，重物的速度大小为_m/s，动能的增加量Ek_J(结果保留三位有效数字)(3)从O点到N点，重物重力势能的减少量为_J.(结果保留三位有效数字)(4)若测出纸带上各点到O点之间的距离，根据纸带算出打点计时器打各点时重物的速度v及重物下落的高度x，则在机械能守恒的情况下，下列以v2为纵轴、x为横轴画出的图像正确的是_试解针对训练1某同学安装如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律
7、(1)此实验中，应当让重物做_运动，_(选填“需要”或“不需要”)测出重物的质量(2)打点计时器所用交流电的频率为50 Hz，该同学选取如图乙所示的一 段纸带，对BD段进行研究求得B点对应的速度vB_m/s(保留2位有效数字)，若再求得D点对应的速度vD，测出重物下落的高度为hBD，则还应计算_与_大小是否相等(填字母表达式)(3)但该同学在上述实验过程中存在明显的问题安装实验装置时存在的问题是：_；研究纸带时存在的问题是：_针对训练2在“验证机械能守恒定律”实验中，实验器材的安装如图甲所示(1)实验打出一根纸带如图乙所示，最左端打点重复扎堆，你认为造成此现象的原因是_A打点计时器损坏B重物释
8、放位置未靠近打点计时器C实验先通电，后释放纸带，释放前可能手有轻微的抖动(2)某实验小组得到如图丙所示的一根纸带，数据的测量和处理如下：从清晰的点开始，分别标上0、1、2、3、4、5、6、7，并测量1、2、5、6、7点到0点的距离分别是h1、h2、h5、h6、h7.已知打点周期为T，则1点速度的表达式v1_；6点速度的表达式v6_比较12(v62-v12)和_，在实验误差允许范围内相等，则机械能守恒定律得到验证探究点二探索创新实验应用体验例2 某同学设计了一个用拉力传感器验证机械能守恒定律的实验一根轻绳一端连接固定的拉力传感器，另一端连接小钢球，如图甲所示拉起小钢球至某一位置由静止释放，使小钢
9、球在竖直平面内摆动，记录钢球摆动过程中拉力传感器示数的最大值Tmax和最小值Tmin.改变小钢球的初始释放位置，重复上述过程根据测量数据在直角坐标系中绘制的Tmin Tmax图像是一条直线，如图乙所示(1)若小钢球摆动过程中机械能守恒则图乙中直线斜率的理论值为_(2)由图乙得：直线的斜率为_，小钢球的重力为_N(结果均保留2位有效数字)(3)该实验系统误差的主要来源是_(单选，填正确答案标号)A小钢球摆动角度偏大B小钢球初始释放位置不同C小钢球摆动过程中有空气阻力试解针对训练3利用气垫导轨验证机械能守恒定律实验、实验装置如图1所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上A点处有一带长方形遮光片
10、的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的小球相连遮光片两条长边与导轨垂直，导轨上B点处有光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到光电门B处的距离，b表示遮光片的宽度，将遮光片通过光电门的平均速度视为滑块通过B点时的瞬时速度，实验开始时滑块在A处由静止开始运动(1)滑块通过B点的瞬时速度可表示为_；(2)某次实验测得导轨倾角30，重力加速度用g表示，滑块从A处到达B处时m和M组成的系统动能增加量可表示为Ek_，系统的重力势能减少量可表示为EP_，在误差允许的范围内，若满足_，则可认为系统的机械能守恒(3)用上述实验方法，某同学改变A、B间的距离，得
11、到滑块到B点时对应的速度v，作出的v2 d图像如图2所示，并测得Mm，则重力加速度g_m/s2.评价检测素养达标突出创新性素养达标1.如图所示，用倾斜放置的气垫导轨验证机械能守恒定律已知滑块和遮光条的总质量为m，遮光条的宽度为d，重力加速度为g.现将滑块由静止释放，两个光电门G1和G2分别记录了遮光条通过光电门的时间t1和t2，则滑块通过两个光电门的过程中动能的增加量Ek_，通过两个光电门过程中重力势能的减少量Ep_(用图中所标符号表示)若两者在实验误差允许范围内相等，则验证了滑块在下滑过程中机械能守恒若实验中滑块以初速度v0下滑，用上述方法_(选填“能”或“不能”)验证机械能守恒定律2202
12、2重庆高中高一下质量调研某研究小组用如图甲所示的实验装置“验证机械能守恒定律”(1)供实验选择的重物有以下四个，最优选择为_A质量为10 g的砝码B质量为200 g的木球C质量为50 g的塑料球D质量为200 g的铁球(2)实验时应将打点计时器接到_电源(选“交流”或“直流”)(3)根据图乙所示纸带上的测量数据，可得出打B点时重物的速度为_m/s，根据(1)可知重物在B点的动能为Ek_J，已知O为初始速度为零的点，则OB重力势能的减少量为Ep_JEp不完全等于Ek的原因是_(均保留小数点后两位，g10 m/s2)(4)研究小组的同学反思所做的实验后发现误差较大，操作也不便，于是在老师的指导下利
13、用如图丙所示的DIS实验装置对验证机械能守恒定律实验进行改进如图丁所示，主要由光电门与轻质摆杆组成单摆绕O点转动，实验时，质量为m的光电门从M点由静止下摆，依次经过6个宽度为d的遮光片，光电门摆至左边海绵止动阀处被卡住不再回摆，已知摆长为L，当摆杆与竖直方向的夹角为(小于90)时，光电门经过遮光片的时间为t，以圆弧最低点N所在平面为零势能面，则光电门的势能Ep_，动能Ek_，然后对比不同遮光片处势能和动能之和是否相等(选用字母m、L、d、t、g表示)5实验：验证机械能守恒定律必备知识自主学习一、重力或系统内弹力1重力2不做功二、(1)mgh1mgh2(2)高度运动速度关键能力合作探究探究点一【
14、例1】【解析】(1)为了能在纸带上打出更多的点，释放重物前，使重物尽量靠近打点计时器，A错误；做实验时，先接通打点计时器的电源，再释放重物，否则纸带上的点太少，B正确；由于有空气阻力的影响，重物下落的加速度不等于重力加速度，不能用v2gh或vgt来计算重物的速度v，C、D错误(2)打点计时器打“N”点时，重物的速度大小为v28.22-19.7010-20.04 m/s2.13 m/s，动能的增加量为Ek12mv21.13 J.(3)重物重力势能的减少量为Epmgh0.59.800.237 2 J1.16 J.(4)根据机械能守恒定律得mgx12mv2，解得v22gx.v2x图像为一条过原点的倾
15、斜直线，C对【答案】(1)B(2)2.131.13(3)1.16(4)C针对训练1解析：(1)由实验原理知，应让重物在松开手后做自由落体运动；根据机械能守恒，mgh12m(v22-v12)，整理后，得gh12(v22-v12)，所以不需要测量质量(2)B点速度等于AC段的平均速度，vBAC2T0.19 m/s；根据实验原理知，还应计算12(vD2-vB2)与ghBD，看两者大小是否相等(3)重物距离桌面太近，会落到桌面上；B、D时间间隔过短，实验误差较大答案：(1)自由落体不需要(2)0.1912(vD2-vB2)ghBD(3)重物会落在桌面上(或“纸带打点过短”等与此类似的答案)B、D两点时
16、间间隔过短针对训练2解析：(1)最左端打点重复扎堆，造成此现象的原因是实验前先接通电源后释放纸带，可能手还有轻微的抖动，打点计时器就在同一位置附近重复打点，从而造成打点重复扎堆，C正确(2)匀变速直线运动中可以用某段时间的平均速度表示中间时刻的瞬时速度，故1点速度的表达式为v1h22T，6点速度的表达式为v6h7-h52T，从打下1点到打下6点的过程，根据机械能守恒定律可得mg(h6h1)12mv62-12mv12，整理可得g(h6h1)12v62-12v12，故比较12(v62-v12)和g(h6h1)，在实验允许误差范围内相等，则机械能守恒定律得到验证答案：(1)C(2)h22Th7-h5
17、2Tg(h6h1)探究点二【例2】【解析】(1)设初始位置时，细线与竖直方向夹角为，则细线拉力最小值为Tminmg cos 到最低点时细线拉力最大，则mgl(1cos )12mv2，Tmaxmgmv2l，联立可得Tmax3mg2Tmin，即若小钢球摆动过程中机械能守恒则图乙中直线斜率的理论值为2；(2)由图乙得直线的斜率为k1.77-1.350.22.1，3mg1.77.则小钢球的重力为mg0.59 N.(3)该实验系统误差的主要来源是小钢球摆动过程中有空气阻力，使得机械能减小【答案】(1)2(2)2.10.59(3)C针对训练3解析：(1)将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时
18、速度，则滑块通过B点的瞬时速度vbt.(2)系统动能的增加量Ek12(Mm)v2M+mb22t2，系统重力势能的减小量EpmgdMgd sin 30(mM2)gd，比较Ek和Ep，若在实验误差允许的范围内相等，即EkEp，则可认为系统机械能是守恒的(3)根据系统机械能守恒，有12(Mm)v2(mM2)gd，则v22m-MgdM+m，图线的斜率k2m-MM+mg2.40.5 m/s2，解得g9.6 m/s2.答案：(1)bt(2)M+mb22t2(mM2)gdEkEp(3)9.6评价检测素养达标1解析：滑块经过两个光电门G1和G2的速度分别为v1dt1，v2dt2，则动能的增加量为Ek12m(d
19、t2)212m(dt1)212md21t22-1t12滑块重力势能的减少量为EpmgsHL.若实验中滑块以初速度v0下滑，只有重力做功，机械能守恒，用上述方法仍能验证机械能守恒定律答案：12md21t221t12mgsHL能2解析：(1)为了减小阻力的影响，重物选择质量大一些，体积小一些的，故选质量为200 g的铁球，故选D.(2)实验时应将打点计时器接到交流电源上(3)根据题图乙所示纸带上的测量数据，可得出打B点时重物的速度为vB86.59-70.9920.02102 m/s3.90 m/s，根据(1)可知重物在B点的动能为Ek12mvB21.52 J，已知O为初始速度为零的点则OB重力势能的减少量为EpmghOB1.57 J，Ep不完全等于Ek的原因是受到空气阻力且纸带与打点计时器之间存在摩擦(4)以圆弧最低点N所在平面为参考面，则光电门的势能为Epmg(LL cos )，动能为Ek12m(dt)2.答案：(1)D(2)交流(3)3.901.521.57受到空气阻力且纸带与打点计时器之间存在摩擦(4)mg(LL cos )12m(dt)2
