2018高中物理 第七章 機械能守恒定律 7.12 驗證機械能守恒定律實驗難點剖析學案 新人教版必修2.doc

《2018高中物理 第七章 機械能守恒定律 7.12 驗證機械能守恒定律實驗難點剖析學案 新人教版必修2.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2018高中物理 第七章 機械能守恒定律 7.12 驗證機械能守恒定律實驗難點剖析學案 新人教版必修2.doc（9頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

驗證機械能守恒定律實驗難點剖析 一、考點突破 知識點 考綱要求 題型 分值 實驗：驗證機械能守恒定律 掌握驗證機械能守恒定律的原理、器材、步驟、數(shù)據(jù)處理 實驗題 4~10分 二、重難點提示 重點：驗證機械能守恒定律的器材、操作步驟。 難點：驗證機械能守恒定律的原理、數(shù)據(jù)處理。 改進實驗的原理分析及數(shù)據(jù)處理方法。 一、知識框架 二、誤差分析 1. 測量誤差：減小測量誤差的辦法，一是測下落距離時都從0點量起，依次將各打點對應下落高度測量完；二是多測幾次取平均值。 2. 系統(tǒng)誤差：由于重物和紙帶下落過程中要克服阻力做功。故動能的增加量 ΔEk＝mvn2必定稍小于勢能的減少量ΔEp＝mgxn。 改進辦法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減小阻力。 三、注意事項 1. 打點計時器要豎直：安裝打點計時器時要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)，以減少摩擦阻力。 2. 重物密度要大：重物應選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料。 3. 一先一后：應先接通電源，讓打點計時器正常工作，后松開紙帶讓重物下落。 在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，打點計時器所用電源頻率為50 Hz，當?shù)刂亓铀俣鹊闹禐?.80 m/s2，測得所用重物的質(zhì)量為1.00 kg。甲、乙、丙三位學生分別用同一裝置打出三條紙帶，量出各紙帶上第1、2兩點間的距離分別為0.18 cm、0.19 cm和0.25 cm，這些數(shù)據(jù)能說明什么問題？ 我們可以計算出，第一個0.02秒內(nèi)，物體大致下落的位移為，由于摩擦力的存在，所以一般實驗數(shù)據(jù)會小于此值。丙同學的數(shù)據(jù)為0.25cm，即可以判斷他的操作順序是先釋放紙帶，后打開的打點計時器。 由此可見，當我們在選擇紙帶進行計算時，要首先判斷紙帶上的點是否符合此要求。 4. 測長度，算速度：某時刻的瞬時速度的計算應用公式vn＝，不能用vn＝或vn＝gt來計算。如果計算中認為下落加速度為g，即相當于用機械能守恒定律去驗證機械能守恒，并且如果用計算，會得出機械能增加的結論。 例題1 利用實驗裝置探究重物下落過程中動能與重力勢能的轉(zhuǎn)化問題。 （1）實驗操作步驟如下，請將步驟B補充完整： A. 按實驗要求安裝好實驗裝置； B. 使重物靠近打點計時器，接著先________，后________，打點計時器在紙帶上打下一系列的點； C. 下圖為一條符合實驗要求的紙帶，O點為打點計時器打下的第一點。分別測出若干連續(xù)點A、B、C……與O點之間的距離h1、h2、h3…… （2）已知打點計時器的打點周期為T，重物質(zhì)量為m，重力加速度為g，結合實驗中所測得的h1、h2、h3，可得重物下落到B點時的速度大小為______，紙帶從O點下落到B點的過程中，重物增加的動能為______，減少的重力勢能為______。 （3）取打下O點時重物的重力勢能為零，計算出該重物下落不同高度h時所對應的動能Ek和重力勢能Ep，建立坐標系，橫軸表示h，縱軸表示Ek和Ep，根據(jù)以上數(shù)據(jù)在下圖中繪出圖線Ⅰ和圖線Ⅱ。已求得圖線Ⅰ斜率的絕對值k1＝2.94 J/m，請計算圖線Ⅱ的斜率k2＝________ J/m（保留3位有效數(shù)字）。重物和紙帶下落過程中所受平均阻力與重物所受重力的比值為________（用k1和k2表示）。 （4）通過對k1和k2的比較分析，可得到的結論是（只要求寫出一條）：______________ ________________________________。 思路分析（1）依照實驗步驟，應該先接通打點計時器的電源，然后再釋放紙帶； （2）計算B點時的瞬時速度，可以用中間時刻速度法，即。從O點到B點，動能的增加量，代入數(shù)據(jù)可得動能的增加量為；重力勢能的減少量為mgh2； （3）對圖線Ⅰ：Ep＝－mgh，即k1＝mg，對圖線Ⅱ：Ek＝（mg－Ff）h，即k2＝mg－Ff，所以Ff＝k1－k2， （4）對比兩圖線的斜率k1與k2可看出k2小于k1，即動能的增加量小于重力勢能的減少量。這是因為在實驗過程中，紙帶與打點計時器之間存在摩擦力，這些都會產(chǎn)生實驗誤差。 答案：（1）接通電源　放開紙帶　（2）　　mgh2?。?）2.80（2.73～2.87均可）?。╧1用mg表示也可）　（4）k2小于k1，動能的增加量小于重力勢能的減少量。（其他結論合理的也可） 例題2 （廣東高考）某同學根據(jù)機械能守恒定律，設計實驗探究彈簧的彈性勢能與壓縮量的關系。 ①如圖（a）所示，將輕質(zhì)彈簧下端固定于鐵架臺，在上端的托盤中依次增加砝碼，測量相應的彈簧長度，部分數(shù)據(jù)如下表。由數(shù)據(jù)算得勁度系數(shù)k＝________N/m。（g取9.80 m/s2） 砝碼質(zhì)量（g） 50 100 150 彈簧長度（cm） 8.62 7.63 6.66 ②取下彈簧，將其一端固定于氣墊導軌左側(cè)，如圖（b）所示；調(diào)整導軌，使滑塊自由滑動時，通過兩個光電門的速度大小________。 ③用滑塊壓縮彈簧，記錄彈簧的壓縮量x；釋放滑塊，記錄滑塊脫離彈簧后的速度v。釋放滑塊過程中，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為________。 ④重復③中的操作，得到v與x的關系如圖（c）。由圖可知，v與x成________關系。由上述實驗可得結論：對同一根彈簧，彈性勢能與彈簧的________成正比。 （a）　　　　　　　　　 　?。╞）　　　　　　　 （c） 思路分析：①根據(jù)F1＝mg＝kΔx1，F(xiàn)2＝2mg＝kΔx2，有ΔF＝F1－F2＝kΔx1－kΔx2， 取前兩組數(shù)據(jù)進行計算得k＝ N/m＝49.5 N/m。（取表格中不同的兩組數(shù)字計算結果均可，故結果為49.5、50、50.5） ②滑塊離開彈簧后做勻速直線運動，故滑塊通過兩個光電門時的速度相等； ③在該過程中彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為滑塊的動能； ④圖線是過原點的傾斜直線，所以v與x成正比；彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能，即E彈＝mv2，即彈性勢能與速度平方成正比，則彈性勢能與彈簧壓縮量的平方成正比。 答案：①49.5、50、50.5均可?、谙嗟取、刍瑝K的動能　④正比　壓縮量的平方 例題3 現(xiàn)要通過實驗驗證機械能守恒定律。實驗裝置如圖所示：水平桌面上固定一傾斜的氣墊導軌；導軌上A點處有一帶長方形遮光片的滑塊，其總質(zhì)量為M，左端由跨過輕質(zhì)光滑定滑輪的細繩與一質(zhì)量為m的砝碼相連；遮光片兩條長邊與導軌垂直；導軌上的B點有一光電門，可以測量遮光片經(jīng)過光電門時的擋光時間t。用d表示A點到導軌底端C點的距離，h表示A與C的高度差，b表示遮光片的寬度，s表示A、B兩點間的距離，將遮光片通過光電門的平均速度看做滑塊通過B點時的瞬時速度。用g表示重力加速度。完成下列填空和作圖： （1）若將滑塊自A點由靜止釋放，則在滑塊從A運動至B的過程中，滑塊、遮光片與砝碼組成的系統(tǒng)重力勢能的減小量可表示為________，動能的增加量可表示為________。若在運動過程中機械能守恒，則與s的關系式為＝________。 （2）多次改變光電門的位置，每次均令滑塊自同一點（A點）下滑，測量相應的s與t值，結果如下表所示： 1 2 3 4 5 s/m 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 t/（ms） 8.22 7.17 6.44 5.85 5.43 /（104 s－2） 1.48 1.95 2.41 2.92 3.39 以s為橫坐標，為縱坐標，在下圖位置的坐標紙中描出第1個到第5個數(shù)據(jù)點；根據(jù)5個數(shù)據(jù)點作直線，求得該直線的斜率k＝________104 m－1s－2（結果保留三位有效數(shù)字）。 由測得的h、d、b、M和m數(shù)值可以計算出－s直線的斜率k0，將k和k0進行比較，若其差值在實際允許的范圍內(nèi)，則可認為此實驗驗證了機械能守恒定律。 思路分析：（1）當M沿斜面向下運動s的距離時，下落的高度為h′，則＝，所以，所以系統(tǒng)重力勢能的減小量ΔEp＝Mgh′－mgs＝，動能的增加量 ，v＝，所以， 根據(jù)機械能守恒，有ΔEp＝ΔEk，即， 所以 （2）如圖所示，－s圖象是一條傾斜直線，取直線上相距較遠的兩點的坐標值進行計算，直線的斜率k＝2.39104 m－1s－2 答案：（1）　 （2）圖象如解析圖所示　2.39（2.40亦可） 【方法提煉】實驗數(shù)據(jù)的處理方法 方法一：利用起始點和第n點計算 測量并計算出第n點所對應的與，代入mghn和mvn2，如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，mghn和mvn2相等，則驗證了機械能守恒定律。 方法二：任取兩點計算 （1）任取兩點A、B測出hAB，進行算出mghAB的值。 （2）算出mvB2－mvA2的值。 （3）在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，若mghAB＝mvB2－mvA2成立，則驗證了機械能守恒定律。 方法三：圖象法 從紙帶上選取多個點，測量從第一點到其余各點的下落高度h，并計算各點速度的平方v2，然后以v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出v2－h(huán)圖線。若在實驗誤差允許的范圍內(nèi)圖線是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒定律。 滿分訓練：某同學利用如圖所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。該同學經(jīng)正確操作得到打點紙帶，在紙帶后段每兩個計時間隔取一個計數(shù)點，依次為1、2、3、4、5、6、7，測量各計數(shù)點到第一個點的距離h，并正確求出打相應點時的速度v。各計數(shù)點對應的數(shù)據(jù)見下表： 計數(shù)點 1 2 3 4 5 6 7 h/m 0.124 0.194 0.279 0.380 0.497 0.630 0.777 v/（ms－1） 1.94 2.33 2.73 3.13 3.50 v2/（m2s－2） 3.76 5.43 7.45 9.80 12.3 請在下圖坐標中描點作出v2－h(huán)圖線；由圖線可知，重錘下落的加速度g′＝________ m/s2（保留三位有效數(shù)字）；若當?shù)氐闹亓铀俣萭＝9.80 m/s2，根據(jù)作出的圖線，能粗略驗證自由下落的重錘機械能守恒的依據(jù)是______________________。 思路分析：若機械能守恒，則滿足v2＝2gh，則v2－h(huán)圖線的斜率表示當?shù)氐闹亓铀俣鹊?倍，由所作的圖線可求出斜率為19.5，故g′＝9.75 m/s2，誤差允許的范圍內(nèi)g′＝g，故機械能守恒。 答案：如圖所示　9.75（9.69～9.79均可） 圖線為通過坐標原點的一條直線，所求g′與g基本相等。 【綜合拓展】實驗改造探究 無論如何改造實驗，器材的選擇與實驗原理的改進，都應保證能夠計算物體動能與重力勢能的改變量，即可找到與之間的關系，這樣才能驗證機械能是否守恒。 常見的考查形式有以下內(nèi)容： 實驗設計 注意 讓物體運動更平穩(wěn)，選取m2＞m1，使m1運動的加速度變小，容易控制。 分析此實驗設計時，應注意m1的運動方向。 瞬時速度可直接讀出，且兩個光電門間的高度差可控，能夠使實驗數(shù)據(jù)更為精確。 使用氣墊導軌，最大限度減小摩擦力的影響。 使用砝碼，方便控制滑塊運動的加速度。 利用頻閃照相機進行試驗，與打點計時器打出的紙帶意義相同，需要計算出瞬時速度。 利用平拋運動驗證機械能守恒。將物塊從不同的高度h釋放，測量其平拋起始點的高度H與落地點與平拋起始點的水平距離x。 從理論上分析x2與h之間的關系，并用數(shù)據(jù)計算，找到理論與實際之間的關聯(lián)，驗證機械能守恒。