高中物理第七章机械能守恒定律第9节验证机械能守恒定律课堂达标含解析新人教版必修2

9 实验：验证机械能守恒定律记一记验证机械能守恒定律知识体系1个原理——ΔE k ＝ΔE p 1个方法——v n ＝x n ＋x n ＋12T辨一辨1.打点计时器的电源可用蓄电池．(×)2．实验时应先闭合打点计时器的电源开关，后释放纸带．(√)3．本实验中必须记下重锤开始下落的计时点，否则无法验证机械能守恒定律．(×) 4．从理论上讲，利用v n ＝x n ＋x n ＋12T，只能近似计算打第n 点时重锤的瞬时速度．(×) 5．实验结果总会出现ΔE k <ΔE p 的情况，这是由实验的偶然误差造成的．(×)6．重物下落的高度h ，可以用h ＝v 22g计算得出．(×)想一想1.本实验中为什么主要强调先打开计时器，后释放重锤？提示：原因有二：其一是打点计时器工作有个稳定过程，其二是该实验中需要计下重锤开始下落的位置点．2．本实验中如何正确地选择所打的纸带？提示：应选点迹清晰，且第1、2点间距小于或等于2 mm 的纸带． 3．本实验中若出现ΔE k >ΔE p 的情况，可能是什么原因？ 提示：一是计算中出现错误，二是先释放重锤，后打开计时器．思考感悟：练一练1.[2019·福建省普通高中考试]如图所示是“验证机械能守恒定律”的实验装置，让质量为m的重锤自由下落，打出一条较为理想的纸带，若A、B、C、D是所选纸带上依次相邻的计数点，用刻度尺测出A、B间距离为h1，B、C间距离为h2，C、D间距离为h3.已知重力加速度为g.(1)装置中的打点计时器所用电源是________(填“A”或“B”)；A．交流电源 B．直流电源(2)实验时，释放纸带和接通电源的合理顺序是________(填“A”或“B”)；A．先释放纸带，再接通电源B．先接通电源，再释放纸带(3)从A到C的下落过程中，重锤的重力势能减少量ΔE p＝________.答案：(1)A (2)B (3)mg(h1＋h2)2．[2019·山东省普通高中考试]如图甲所示为用打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置．(1)实验中使用的电源频率是50 Hz，则纸带上打出的相邻两点的时间间隔为________s.(2)实验时，应使打点计时器的两个限位孔在同一竖直线上，这样做可以________(选填“消除”“减小”或“增大”)纸带与限位孔之间的摩擦．(3)在实际测量中，重物减少的重力势能通常会________(选填“略大于”“等于”或“略小于”)增加的动能．(4)实验中，质量为m的重物拖着一条纸带从静止开始下落，打点计时器在纸带上打出一系列清晰的点．把重物开始下落时打出的点标为O，然后按先后顺序依次选取三个计数点A、B、C，如图乙所示．通过测量得到O、A间距离为h1.O、B间距离为h2，O、C间距离为h3.已知相邻两计数点间的时间间隔为T，当地重力加速度为g.从开始下落到打B点时，重物减少的重力势能为________，打B点时重物的动能为________．答案：(1)0.02 (2)减小(3)略大于(4)mgh212m⎝⎛⎭⎪⎫h3－h12T23．[2019·内蒙古自治区普通高中考试]在“验证机械能守恒定律”的实验中：(1)从下列器材中选出实验所必要的实验器材(填写所选器材前面的序号)________、________、________.①打点计时器(包括纸带) ②毫米刻度尺③天平④秒表⑤重锤⑥运动小车(2)把下列实验步骤按先后顺序排列________(填字母)． A ．把打点计时器竖直地夹稳在铁架台上 B ．先接通电源，再释放纸带 C ．取下纸带，重复上述实验3次D ．选取理想纸带，对几个合适的点进行测量并计算，看mgh 和12mv 2是否相等E ．将纸带的一端固定在重锤上，让纸带穿过打点计时器并用手提住，使重锤靠近打点计时器答案：(1)① ② ⑤ (2)AEBCD4．[2019·浦东新区普通高中考试]如图为“用DIS 研究机械能守恒定律”的实验中，将一传感器先后分别固定在竖直板上的D 、C 和B 三点，最低点D 作为零势能点．逐次将摆锤从A 点自由释放，分别测出摆锤经过D 、C 和B 点时的速度．(1)实验中使用的传感器是________传感器．(2)已知摆锤的直径为d ，由传感器测出摆锤通过传感器时的挡光时间为Δt ，则摆锤经过传感器时的速度大小为________．答案：(1)光电门 (2)dΔt要点一实验原理与操作1．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，除了所给的器材外，还需要的器材有________．(填入正确选项前的字母)A．米尺B．秒表C．0～12 V的直流电源D．0～12 V的交流电源(2)下面列举了该实验的几个操作步骤：A．按照图示的装置安装器材B．将打点计时器接到电源的“直流输出”上C．用天平测出重锤的质量D．先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带E．测量纸带上某些点间的距离F．根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能其中操作不当的步骤是________________．(3)实验中误差产生的原因有________________________________(写出两个原因)．(4)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值．根据打出的纸带，选取纸带上连续的五个点A、B、C、D、E，测出各点之间的距离如图所示．使用交流电源的频率为f，则计算重锤下落的加速度的表达式a＝________.(用x1、x2、x3、x4及f表示)解析：(1)为完成此实验，除了所给的器材外，测量需要米尺，电源需要0～12 V的交流电源．(2)其中操作不当的步骤是将打点计时器接到电源的“直流输出”上，打点计时器需要交流电源．(3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力；用米尺测量纸带上某些点的距离时会产生读数误差．(4)由Δx ＝aT 2得：a ＝x 3＋x 4－x 1－x 24T 2＝x 3＋x 4－x 1－x 2f 24答案：(1)AD (2)B(3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时，选取初、末两点距离过近；交流电源频率不确定(任选两个作答)(4)x 3＋x 4－x 1－x 2f 242．某实验小组的同学在“验证机械能守恒定律”的实验时，进行了如下的操作： A ．取下纸带，挑选点迹清晰的纸带，记下起始点O ，在距离O 点较远处选择连续几个计数点(或计时点)B ．用天平称出重物和夹子的质量C ．计算出ghn 和12v 2n ，看两者是否相等D ．固定好打点计时器，将连着重物的纸带穿过限位孔，用手提住，让重物尽量靠近打点计时器E ．先接通电源，后松开纸带，开始打点．并如此重复多次，以得到几条打点纸带F ．测出各点到O 点的距离，即得到重物下落的高度，并计算出各点的速度值 在以上的操作中不必要的是________；然后将必要的操作进行正确的排序________． 解析：因本实验是通过比较重力势能的减少量ΔE p 是否等于动能的增加量ΔE k 来验证机械能守恒定律的，不需要知道动能的具体数值，因而不需要测出重物和夹子的质量，故步骤B 是不必要的．根据实验原理以及操作分析可知，正确的操作顺序为DEAFC.答案：B DEAFC 要点二 实验数据的处理3.某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz 、30 Hz 和40 Hz ，打出纸带的一部分如图乙所示．该同学在实验中没有记录交流电的频率f ，需要用实验数据和其他条件进行推算．(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f 和图乙中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B 点时，重物下落的速度大小为________，打出C 点时重物下落的速度大小为________，重物下落的加速度大小为________．(2)已测得x 1＝8.89 cm ，x 2＝9.50 cm ，x 3＝10.10 cm ；当地重力加速度大小为9.80 m/s 2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%.由此推算出f 为________Hz.解析：(1)两点间时间间隔为T ＝1f ，v B ＝x 1＋x 22T ＝x 1＋x 2f2，同理v C ＝x 2＋x 3f2，重物下落的加速度的大小为a ＝x 3－x 1f 22.(2)据mg －0.01 mg ＝ma 和a ＝x 3－x 1f 22，代入数据可得f 为40 Hz.答案：(1)x 1＋x 2f2x 2＋x 3f2x 3－x 1f 22(2)404．在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，使质量为m ＝1.00 kg 的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点，选取一条符合实验要求的纸带如图所示．O 为第一个点，A 、B 、C 为从合适位置开始选取连续点中的三个点．已知打点计时器每隔0.02 s 打一个点，当地的重力加速度为g 取9.80 m/s 2，那么：(1)根据图上所得的数据，应取图中O 点到________点来验证机械能守恒定律； (2)从O 点到(1)问中所取的点，重物重力势能的减少量ΔE p ＝________J ，动能增加量ΔE k ＝________J ；(结果取三位有效数字)(3)若测出纸带上所有各点到O 点之间的距离，根据纸带算出各点的速度v 及物体下落的高度h ，则以v 22为纵轴、以h 为横轴画出的图象是图中的________．解析：(1)根据题中所给数据可以看出，A 、B 、C 为选取的连续点中的三个点，显然只有B 点的速度由v B ＝AC2T可以求出，其余两点的速度不能直接求出，而且O 、B 之间的距离已知，所以应选O 点到B 点来验证机械能守恒定律．(2)ΔE p ＝mgh B ＝1.00×9.8×19.20×10－2J ＝1.88 J v B ＝AC2T ＝23.23－15.55×10－22×0.02m/s ＝1.92 m/sΔE k ＝12mv 2B ＝12×1.00×1.922J ＝1.84 J.(3)由mgh ＝12mv 2得v22＝gh ，故A 项正确．答案：(1)B (2)1.88 1.84 (3)A5．[2019·巴州高一检测]如图是利用重物自由下落验证机械能守恒定律的实验装置． (1)在验证机械能守恒定律的实验中，没有必要进行的操作是________． A ．用天平测重物的质量 B ．用秒表测重物下落的时间 C ．用打点计时器记录重物下落的信息 D ．用纸带记录测量重物下落的高度(2)该实验所用打点计时器的电源频率为50 Hz ，A 、B 、C 为纸带中选取的三个计数点，每两个计数点之间还有4个点未画出，则每两个计数点之间的时间间隔T ＝________s ，打点计时器在打下计数点B 时，物体的下落速度为v B ＝________m/s.(小数点后保留两位数字)(3)由于该实验中存在阻力做功，所以实验测得的重物的重力势能的减少量________(选填“<”、“>”或“＝”)动能的增加量．解析：(1)因为是比较mgh 、12mv 2的大小关系，故m 可约去比较，不需要测出重物的质量，故A 项错误．可以通过打点计时器计算时间，不需要秒表，故B 项错误．用打点计时器可以记录重物下落的时间和高度，故C 项正确．用纸带记录测量重物下落的高度，故D 项正确．(2)每两个计数点之间还有4个点未画出，则每两个计数点之间的时间间隔T ＝0.1 s ．根据匀变速直线运动的规律中间时刻速度等于这段时间中的平均速度得v B ＝x ACt AC＝2.36 m/s.(3)由于纸带通过时受到较大的阻力和重物受到的空气阻力，重力势能有相当一部分转化为摩擦产生的内能，所以重力势能的减少量明显大于动能的增加量．答案：(1)AB (2)0.1 2.36 (3)>基础达标1.在“验证机械能守恒定律”的实验中，关于重锤的选择，下列说法正确的是 ( )A ．选择的重锤的体积越小越好B ．应选用质量较小的重锤，使重锤的惯性小一些C ．应选用体积和质量都较小的重锤D ．选择的重锤体积应小一些，质量尽量地大一些解析：选择重锤时既要考虑减小空气阻力，又要考虑实验的方便、可操作，故D 项正确． 答案：D2．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v 2、v 3表示，用刻度尺测量出2、3两计数点之间的距离，用h 23表示．验证机械能守恒定律的关系式应为( )A ．gh 23＝v 23－v 22 B ．gh 23＝12v 23－12v 22C ．v 3＝v 2＋aTD ．v 23＋v 22＝2gh 23解析：2→3的过程，ΔE p 减＝mgh 23，ΔE k 增＝12mv 23－12mv 22，所以需验证的表达式为mgh 23＝12mv 23－12mv 22，即gh 23＝12v 23－12v 22，B 项正确． 答案：B3．用如图所示装置验证机械能守恒定律，由于电磁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的阻力，这样实验造成的结果是( )A．重力势能的减少量明显大于动能的增加量B．重力势能的减少量明显小于动能的增加量C．重力势能的减少量等于动能的增加量D．以上几种情况都有可能解析：由于重物下落时要克服阻力做功，重物减少的重力势能转化为重物的动能和系统的内能，故重力势能的减小量大于动能的增加量，A项正确，B、C、D三项错误．答案：A4．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50 HzD．交流电源的频率小于50 Hz解析：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，A项错误；“验证机械能守恒定律”的实验结论与重锤的质量无关，B项错误；若交流电的频率f<50 Hz，由于速度值仍按频率为50 Hz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ΔE k>ΔE p的结果，C 项错误，D项正确．答案：D5．在“验证机械能守恒定律”在实验中，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解析：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，A 项错误；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，B 项正确；根据运动学公式可将0、6两计数点的速度计算出来，C 项错误；由题中的数据计算出的加速度已包含了空气阻力的影响，D 项错误．答案：B6．[2019·山西运城河东一中期末考试]在用落体法验证机械能守恒定律的实验中(重力加速度取g ＝9.8 m/s 2)：(1)运用公式mv 22＝mgh 对实验条件的要求是________，打点时间间隔为0.02 s ，为此，所选择的纸带第1、2两点间的距离应接近________．(2)若实验中所用重锤的质量m ＝1 kg ，打点纸带如图所示，打点时间间隔为0.02 s ，则记录B 点时，重锤速度v B ＝________，重锤动能E k ＝________，从开始下落起至B 点重锤的重力势能减少量是________，由此可得出的结论是________________．解析：(1)重锤自由下落时，在0.02 s 内的位移大小应为h ＝12gt 2＝12×9.8×(0.02)2 m≈2 mm.(2)v B ＝ACΔt ＝31.4－7.8×10－32×0.02m/s ＝0.59 m/s ，此时重锤的动能为E k ＝12mv 2B ＝12×1×0.592 J≈0.17 J，重锤的重力势能减少量为ΔE p ＝mgh ＝1×9.8×17.6×10－3 J≈0.17 J. 答案：(1)打第1个点时重锤的初速度为零 2 mm(2)0.59 m/s 0.17 J 0.17 J 机械能守恒7．[2019·陕西宝鸡中学期末考试]晓宇利用“自由落体”的方法验证了机械能守恒定律，他进行了多次操作打出了四条不同的纸带，经过测量可知纸带A 、纸带B 、纸带C 、纸带D 前两点之间的距离分别为0.185 cm 、0.192 cm 、0.265 cm 、0.195 cm.已知低压交流电源的频率为50 Hz 、重锤的为1.00 kg 、重力加速度取g ＝9.80 m/s 2.回答下列问题：(1)上述的四条纸带中有一条在操作过程中存在明显的问题，该纸带为________；(2)按照测量的要求从其中选出一条合适的纸带，并选取点迹清晰的计时点，用刻度尺测出的实验数据如图所示，分析知纸带的________(选填“左”或“右”)端与重锤相连；(3)由图中的实验数据求解打计时点2时，重锤下落的速度为________；(4)重锤由计时点0下降到计时点2的过程中，重锤的重力势能的减少量ΔE p 为________，重锤的动能的增加量ΔE k 为________，由计算分析可知ΔE p ________ΔE k (选填“>”、“＝”或“<”)，原因为________________________________________________________________________________________________________________________________________________；(5)请根据以上写出实验结论：________________________________________________________________________________________________________________________________________________. 解析：(1)纸带C 肯定有操作错误，因为h ＝0.265 cm>0.20 cm ，说明他操作时先释放了纸带，后接通了电源，致使打点计时器打第一个计时点时，重锤的速度并不为零；(2)因重锤做自由落体运动，开始记录时计时点间距小，所以纸带的左端与重锤相连；(3)重锤的速度v 2＝x 03－x 012T，代入数据可得v 2＝0.98 m/s ；(4)从计时点0到计时点2的过程中，重力势能的减少量ΔE p ＝mgx 02≈0.49 J，动能的增加量ΔE k ＝12mv 22≈0.48 J，由以上计算知，ΔE p >ΔE k ，这是因为实验中有摩擦力和空气阻力等阻力的存在，重锤要克服阻力做功而损失机械能；(5)在实验误差允许范围内机械能守恒．答案：(1)纸带C (2)左 (3)0.98 m/s(4)0.49 J 0.48 J > 实验中存在摩擦力和空气阻力，重锤克服阻力做功损失机械能(5)在实验误差允许范围内机械能守恒8．[2019·吉林长春市实验中学期末考试]某学校的物理兴趣实验小组在探究机械能守恒定律时，进行了如下的操作：A ．按照图甲所示的装置，组装实验器材B ．将连着重物的纸带穿过限位孔，用手提住，让重物尽量靠近打点计时器C ．先接通电源，后松开纸带，开始打点．并如此重复多次，以得到几条打点纸带D ．从打下的纸带中挑选一条点迹清晰的纸带，记下起始点O ，在距离O 点较远处连续选择几个计数点(或计时点)E ．测出各点到O 点的距离，即得到重物下落的高度，并计算出各点的速度值F ．计算出gh n 和12v 2n 进行比较，得出实验结论(已知低压交流电源的频率为50 Hz ，重力加速度为g ＝9.80 m/s 2)根据以上操作回答下列问题：(1)图乙中的O 点为第一个点迹清晰的计时点，且以后每隔一个计时点选取一个计数点，图中的数据分别为A 、B 、C 、D 到O 点的距离，如果选取B 点进行分析，则重物的重力势能减少了________J ，动能增加了________J ．(重物的质量用m 表示)(2)重物动能的增加量________(“略大于”或“略小于”)重力势能的减少量，出现该现象的原因是____________________________．(3)由以上的数据得出的结论为________________________________________________________________________________________________________________________________________________. 解析：(1)重力势能的减少量为ΔE p ＝mgh OB ＝m ×9.80×0.195 0 J＝1.911m J ，重物在打B 点时的速度为v B ＝h AC 4T ≈1.944 m/s，所以重物开始下落到打B 点时增加的动能为ΔE k ＝12mv 2B ≈1.89m J ；(2)ΔE k 略小于ΔE p ，由于空气阻力和限位孔的摩擦阻力做功，将部分机械能转化为了内能；(3)从以上计算的数据得出：在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能，即机械能守恒．答案：(1)1.911m 1.89m(2)略小于 空气阻力和限位孔的摩擦阻力做功(3)在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的功能，即机械能守恒9．某学校实验小组利用如图所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒．(1)实验前先调整气垫导轨底座使之水平；(2)利用游标卡尺测得遮光条的宽度为d ，实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间为Δt ，那么，在本次实验中还需要测量的物理量有钩码的质量m 、________________和________________(文字说明并用相应的字母表示)；(3)本实验通过比较________________和________________(用测量的物理量符号表示)在实验误差允许的范围内相等，就可以验证系统的机械能守恒．解析：(2)由于遮光条通过光电门的时间极短，因此可以利用平均速度来代替瞬时速度，因此滑块经过光电门时的瞬时速度为v ＝d Δt ，此外还需要知道滑块上遮光条的初始位置到光电门的距离s ，计算动能需要知道滑块的质量M ，故还需要测量M .(3)以钩码和滑块(包括遮光条)所组成的系统为研究对象，其重力势能的减小量为mgs ，系统动能的增量为12(m ＋M )⎝ ⎛⎭⎪⎫d Δt 2.因此只要比较二者是否相等，即可验证系统机械能是否守恒．答案：(2)滑块上遮光条的初始位置到光电门的距离s 滑块(包含遮光条)的质量M(3)mgs 12(m ＋M )⎝ ⎛⎭⎪⎫d Δt 2能力达标10.[2019·山西现代双语学校期末考试]某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示．在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电传感器A 、B ，滑块P 上固定一遮光条，若光线被遮光条遮挡，光电传感器会输出高电压，两光电传感器采集数据后与计算机相连．滑块P 在细线的牵引下向左加速运动，遮光条经过光电传感器A 、B 时，通过计算机可以得到如图乙所示的电压U 随时间t 变化的图象．(1)实验前，接通气源，将滑块(不挂钩码)置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的Δt 1________(选填“>”“＝”或“<”)Δt 2时，说明气垫导轨已经水平．(2)用游标卡尺测得遮光条宽度为d ，测量结果如图丙所示，则d ＝________mm.(3)滑块P 用细线跨过气垫导轨左端的定滑轮与钩码Q 相连，钩码Q 的质量为m .将滑块P 由图甲所示位置释放，通过计算机得到的图象如图乙所示，若Δt 1、Δt 2和d 已知，要验证滑块P 和钩码Q 组成的系统机械能是否守恒，还应测出________和________(写出物理量的名称及符号)．(4)若上述物理量间满足关系式__________________，则表明在上述过程中，滑块P 和钩码Q 组成的系统机械能守恒．解析：(1)导轨水平时，滑块P 做匀速运动，Δt 1＝Δt 2；(2)d ＝5 mm ＋0×0.1 mm＝5.0 mm ；(4)滑块P 通过光电传感器的速度为v 1＝d Δt 1，v 2＝d Δt 2，P 、Q 组成的系统机械能守恒，则mgL ＝12(M ＋m )⎝ ⎛⎭⎪⎫d Δt 22－12(M ＋m )⎝ ⎛⎭⎪⎫d Δt 12. 答案：(1)＝ (2)5.0 (3)滑块质量M 两光电门间距L (4)mgL ＝12(M ＋m )⎝ ⎛⎭⎪⎫d Δt 22－12(M ＋m )⎝ ⎛⎭⎪⎫d Δt 1211．[2019·山西高平一中期末考试]为了验证机械能守恒定律，小明设计了如图甲所示的实验，将一长为L 的气垫导轨如图甲所示固定在一平台上，将一宽度为b 的遮光条固定在滑块上，经测量可知遮光条和滑块的总质量为M ，气垫导轨的顶端到平台的高度为h ，将一质量为m 的钩码通过质量不计的细线与滑块相连，并跨过图甲中的摩擦不计的定滑轮；将一光电门固定在气垫导轨上，光电门到顶端的距离为x .将滑块由气垫导轨的顶端静止释放，滑块沿气垫导轨下滑，经测量遮光条的挡光时间为t ，重力加速度用g 表示．请回答下列问题：(1)上述过程中滑块和钩码的重力势能减少了________，滑块和钩码的动能增加了________，如果在误差允许的范围内系统的机械能守恒，则1t2关于x 的表达式为________； (2)小明进行了多次操作，并将每次测量的实验数据记录在表中：1 2 3 4 5 x (m)0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1t 2(104 s －2) 1.48 1.95 2.41 2.92 3.39 直线斜率的大小为________m －1·s －2.(保留3位有效数字)解析：(1)重力势能的减少量ΔE p ＝Mg h L x －mgx ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫h L M －m gx ，到达光电门时的速度为v ＝b t ，动能的增加量ΔE k ＝12(M ＋m )v 2＝12(m ＋M )b 2t2.若误差允许的范围内机械能守恒，则由ΔE p ＝ΔE k 可得1t 2＝2hM －Lm g M ＋m Lb2x .(2)作图如图所示，利用图象可求得斜率为2.40×104 m －1·s －2，利用实验数据进行逐差法得直线斜率为2.399×104 m －1·s －2，保留3位有效数字为2.40×104m －1·s －2.答案：(1)⎝ ⎛⎭⎪⎫h L M －m gx 12(m ＋M )b 2t 2 1t2＝2hM －Lm g M ＋m Lb 2x (2)如解析图所示 2.40×104。

安徽省长丰县高中物理第七章机械能守恒定律7.9 验证机械能守恒定律教案新人教版必修2
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9 验证机械能守恒定律。

科目教材版本章节（课题）主备人使用人物理人教版必修2第七章机械能守恒定律第9节实验：验证机械能守恒定律授课班级授课时间应到人数实到人数教学目标知识与技能1.要弄清实验目的，本实验为验证性实验，目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律.2.要明确实验原理，掌握实验的操作方法与技巧、学会实验数据的采集与处理，能够进行实验误差的分析，从而使我们对机械能守恒定律的认识，不止停留在理论的推导上，而且还能够通过亲自操作和实际观测，从感性上增加认识，深化对机械能守恒定律的理解.3.通过学生自主学习，培养学生设计实验、采集数据，处理数据及实验误差分析的能力.过程与方法1.要明确纸带选取及测量瞬时速度简单而准确的方法.2.通过同学们的亲自操作和实际观测掌握实验的方法与技巧.3.通过对纸带的处理过程，体会处理问题的方法，领悟如何间接测一些不能直接测量的物理量的方法.4.通过实验过程使学生体验实验中理性思维的重要，既要动手，更要动脑.情感态度与价值观1.通过实验及误差分析，培养学生实事求是的科学态度，激发学生对物理规律的探知欲.2.培养学生的团结合作精神和协作意识，敢于提出与别人不同的见解.教学重点1.验证机械能守恒定律的实验原理.2.实验原理及方法的选择及掌握.教学难点实验误差分析的方法.导入新课请同学们思考，细绳的下端拴一个重球，上端固定在天花板上.把重球从平衡位置B拉到A，放开手，重球就在A、B间往复运动，如果空气阻力可以忽略不计，把铅笔放在B1的位置上，重球将沿怎样的弧线运动？它上升的最高点C1在什么地方？由此同学们得到什么启示？自主学习通过上一节课的学习，我们知道机械能守恒定律及其表达式以及其在物理学中的重要地位.一个规律的提出，不但要有理论的支持，还要由实验的验证，今天我们就设计实验，来验证机械能守恒定律.问题：1.机械能守恒定律的条件是什么？2.要验证机械能守恒应该创设什么样的问题情景？3.回顾以前学过的运动，哪种运动形式符合验证机械能守恒定律的条件？ 学生通过讨论，总结：1.机械能守恒定律的条件是：物体系统只有重力或弹力做功.2.要验证机械能守恒定律，应该符合守恒条件：只有重力或弹力做功.3.自由落体运动只受重力，符合验证条件.这节课我们通过设计实验，通过探究自由落体过程中能量的变化来验证机械能守恒定律. 指导学生阅读课本内容，找出利用自由落体运动验证机械能守恒定律的方法,培养学生的阅读、总结表达能力.方法总结：在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能相互转化，总的机械能守恒，验证机械能守恒定律只需验证减少的重力势能等于增加的动能即可.问题探究：让学生分组讨论、交流，要完成本实验，应该测量的量有哪些,如何测量,并提出解决方案.明确：测量物体自由下落过程中减少的势能.方法：测量物体的质量m 、下降的高度Δh ，利用重力势能的公式计算ΔE p =mgΔh;测量自由落体下降Δh 时的速度v,利用动能的公式计算ΔE k =mv 2/2,利用打点计时器处理纸带的方法来求解速度.方法补充：如何利用纸带求解瞬时速度?指导学生根据匀变速直线运动的运动学规律，推导瞬时速度的求解方法. 学生通过阅读教材，总结推导过程，教师通过大屏幕投影学生的推导过程： 如图所示，由于纸带做匀加速运动，故有A 、C 之间的平均速度：2CA AC v v v +=.根据速度公式有：v B =v A +aΔt ，v C =v B +aΔt ， 故有：v B -v A =v C -v B ， 即v B =2CA v v +. 从而：vB =AC v .总结：匀变速直线运动中，某点的瞬时速度等于以该点为时间中点的两点间的平均速度. 解决方案：利用电火花计时器打出纸带，通过处理纸带，既可以求出物体下降的高度，还可以求出某一瞬时的速度，因此电火花计时器是重要的实验仪器.原理探究：通过实验，求自由落体的重力势能减少量和相应过程动能的增加量.若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律.而且，因为不需要知道物体在某点动能和势能的具体数值，所以不必测量物体的质量m ，而只需验证221n v =gh n 就行了，如果要具体计算出重力势能或动能的数值就需要天平.总结：指导学生根据实验原理，写出本实验用到的实验器材: ①电火花计时器（或电磁打点计时器）；②重物（质量300 g±3 g ）及纸带；③铁架台、夹子、烧瓶夹；④电源.问题预测:在本实验操作的具体过程中会遇到哪些问题？通过该问题的设置，学生对实验中可能遇到的问题进行预测，并提出相应的解决方法.1.重物下落的过程中除受重力外，还受到哪些阻力？怎样减小这些阻力对实验的影响?2.重物下落时最好选择哪两个位置作为过程的开始和终结的位置?3.本实验中用的重锤，质量大一些好还是小一些好？为什么？4.质量是否为本实验必须测量的量? 参考答案：1.重物下落的过程中，除受重力外，还要受空气阻力和打点计时器给纸带的摩擦力.安装打点计时器时注意保持竖直，重物要选择质量大一些的.2.为减小测量高度h 值的相对误差，选取的各计数点要离起始点远一些.要从起始点开始测量出h 1、h 2，再求出Δh=h 2-h 1.3.锤应该选择质量大一些，体积小一些的，可以有效地减小空气阻力的影响.4.质量并非必须测量的量，在需要计算具体的能量数值时，需要天平.步骤整理：教师指导学生根据实验原理、各种器材的注意事项，总结归纳实验步骤：(1)如图所示，将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器；打点计时器的两根导线接在6伏交流电源上.(2)用手提着纸带，让重物靠近打点计时器静止，然后接通电源，松开纸带，让重物自由落下，纸带上打下一系列点.(3)重复几次，从几条打下点的纸带中挑选第一、二点间距离接近2mm 且点迹清楚的纸带进行测量，测出一系列计数点,各点到第一个点的距离d 1、d 2，d 3,……,d n-1,d n ,d n+1,……据公式v n =Td d n n 211-+-，计算物体在打下点1、2……时的即时速度v 1、v 2……计算相应的动能的增加值,填入事先设计好的表格.教师点拨：选第1、2点间距约2 mm 的纸带意味着纸带是在打第一个点的瞬时开始运动的，根据h=gT 2/2=9.8×0.022/2 m=1.961 0-3 m≈2 mm.在起始点标上0，用刻度尺测量纸带从点0到点1、2……之间的距离h 1、h 2……计算出相应减少的重力势能,填入事先设计好的表格. 处理数据，得出结论. 参考数据： 各计数点 4 5 6 7 8 9 10 t(s) 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 h×(10-2 m) 2.92 4.62 6.70 9.18 12.03 15.28 18.92 v=Δh/Δt(m/s) 0.945 1.14 1.33 1.53 1.72 ΔE k =mv 2/2 0.134 0.195 0.265 0.351 0.444 ΔE p =mgh0.1360.1970.2700.3540.450实验结论：在误差允许的范围内，物体减少的重力势能等于增加的动能，机械能守恒. 学生分组实验，并处理数据，教师利用实物投影仪展示几组数据，并进行点评. 师生根据实际实验中的体会，总结实验注意事项：1.打点计时器安装时，必须使两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力.2.实验时，需保持提纸带的手不动，待接通电源，让打点计时器工作正常后再松开纸带让重锤下落，以保证第一个点是一个清晰的点.3.选用纸带时应尽量挑选第一、二点间接运2 mm 的纸带.4.打点计时器必须接50 Hz 交流低压电源.5.测量下落高度时，必须从起始点算起，不能搞错，为了减小测量h 值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长，有效长度可在60 cm —80 cm 之内.6.实验中，只要验证gh 是否等于21v 2即可，也可不用测重锤的质量. 误差分析：教师指导学生观察表格中的数据，减少的重力势能并不是严格地等于增加的动能，而是稍大于增加的动能，让学生思考其中的原因，并总结归纳.原因：重物和纸带下落过程中要克服阻力，包括空气阻力、纸带与限孔位及纸带与计时器之间的摩擦力.由于摩擦力的存在，减少的重力势能并没有全部转化为动能，有一部分转化为内能.计时器平面不在竖直方向，纸带平面与计时器平面不平行是阻力增大的原因.电磁打点计时器的阻力大于电火花计时器.交流电的频率f 不是50 Hz 也带来误差.f ＜50 Hz,使动能E k ＜E p 的误差进一步加大，f ＞50 Hz 则可能出现E k ＞E p 的结果.因此为了实验的精确性，应该严格按照实验步骤进行.例题在用自由落体法验证机械能守恒定律的实验中，得到如图所示的一条纸带.起始点O 到A 、B 、C 、D 、E 各点的距离分别h A 、h B 、h C 、h D 、h E .如果重物的质量为m ，打点计时器所用电源的频率为f ，则在打B 、D 两点时，重物的速度v B =__________，v D =__________.如果选择起始点的位置为零势能参考点，则在打B 、D 两点时重物的机械能E B =__________，E D =__________，若E B __________E D ，则说明重物在下落过程中机械能守恒. 解析：根据纸带上瞬时速度的计算方法，得v B =22AC A C h h T h h -=-·f, vD =22CE C E h h T h h -=-·f ， 打B 点时，重物的动能和重力势能分别为：E kB =2222)(81)2(2121A C A C B h h mf f h h m mv -=•-=, E pB =-mgh B .此时重物的机械能E B =E kB +E pB =81mf 2(h C -h A )2-mgh B .同理E kD =81212 D mv mf 2（h E -h C )2,E pD =-mgh D ,E D =81mf 2(h E -h C )2-mgh D . 如果E B =E D ，则说明重物在下落过程中机械能守恒.方法总结：实际上，重物拖着纸带在下落过程中，受到阻力作用，机械能在不断减小，故有E B >E D .又因为在初始点时重物的机械能为0，所以有0>E B >E D ,21mv B 2-mgh B <0,221D mv-mgh D <0,说明重物在实际下落过程中，重力势能的减少量大于动能的增加量.检测反馈（1）为进行“验证机械能守恒定律”的实验，有下列器材可供选用：铁架台、打点计时器、复写纸、纸带、秒表、低压直流电源、导线、电键、天平.其中不必要的器材有： ________________；缺少的器材是________________________________.（2）在验证机械能守恒定律时，如果以v 2/2为纵轴，以h 为横轴，根据实验数据绘出的图线应是________________，才能验证机械能守恒定律，其斜率等于_______________的数值. （3）在做“验证机械能守恒定律”的实验时，用打点计时器打出纸带如图所示，其中A 点为打下的第一个点，0、1、2……为连续的计数点.现测得两相邻计数点之间的距离分别为s 1、s 2、s 3、s 4、s 5、s 6，已知相邻计数点间的打点时间间隔均为T.根据纸带测量出的距离及打点的时间间隔，可以求出此实验过程中重锤下落运动的加速度大小表达式为____________.在打第5号计数点时，纸带运动的瞬时速度大小的表达式为____________.要验证机械能守恒定律，为减小实验误差，应选择打下第_________号和第_________号计数点之间的过程为研究对象.（4）某次“验证机械能守恒定律”的实验中，用6 V 、50 Hz 的打点计时器打出的一条无漏点的纸带，如图所示，O 点为重锤下落的起点，选取的计数点为A 、B 、C 、D ，各计数点到O 点的长度已在图上标出，单位为毫米，重力加速度取9.8 m/s 2.若重锤质量为1 kg.①打点计时器打出B 点时，重锤下落的速度v B =__________m/s ，重锤的动能E kB =_________J. ②从开始下落算起，打点计时器打B 点时，重锤的重力势能减少量为____________J.③根据纸带提供的数据，在误差允许的范围内，重锤从静止开始到打出B 点的过程中，得到的结论是____________________________________. 参考答案：（1）不必要的器材有：秒表、低压直流电源、天平.缺少的器材是低压交流电源、重锤、刻度尺（2）通过原点的直线 g （3）（s 6+ s 5+ s 4- s 3- s 2-s 1）/9T 2 （s 5+s 6）/2T 1 5 （4）①1.175 0.69 ②0.69 ③机械能守恒 思维拓展处理纸带的时候速度能不能用v=gh 2或v=gt 计算？参考解答：v=gh 2是根据机械能守恒定律得到的，而我们的目的就是验证机械能守恒定律，所以不能用.v=gt 认为加速度为g ，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际加速度必将小于g ，故这种方法也不能用.课堂小结本节课主要学习了：1.实验目的：用自由落体运动验证机械能守恒.2.纸带的选取及重物速度的测量方法.3.实验的误差来源及注意事项.布置作业1.教材“问题与练习”第1、2题.2.自己设计方案,验证机械能守恒,自由选择实验仪器,写出操作步骤及实验报告.教学反思验证机械能守恒定律是在学习了机械能守恒定律之后进行的一节实验课，目的在于学习物理规律之后进行，验证物理规律的正确性，巩固和加深对物理规律的理解.本节仍然采用了不给步骤给思路，同时进行难点提示的写法，这给教师在实际教学中很大的教学空间.本实验虽然是个验证性实验，但本教学设计突破思维习惯，采用由学生自主提出、验证方法、验证原理、验证步骤及方案的方法，渗透探究型实验的思想.因此，本教学设计注重了在过程中培养学生的科学素养.通过积极的创造性活动，使学生参与并体验了设计方案形成的思维过程，从中体会实验设计的乐趣和艰辛，感悟了科学实验的本质和价值，从而使学生形成科学的情感态度与价值观.本教学设计主要讲解机械能守恒定律的推导，没有大量讲解例题，重点放在机械能守恒定律的含义要讲透，这对下一节的应用课有很大帮助.渗透了能量在物理学习中的重要地位，这是物理力学知识的核心所在.。

第9节 实验,：验证机械能守恒定律[知识概要]一、实验目的1．会用打点计时器打下的纸带计算物体的运动速度和位移．2．探究自由落体运动物体的机械能守恒．二、实验原理让物体自由下落，在忽略阻力情况下，探究物体的机械能守恒，有两种方案探究物体的机械能守恒：1．以物体下落的起始点O 为基准，测出物体下落高度h 时的速度大小v ，若12mv 2＝mgh 成立，则可验证物体的机械能守恒．2．测出物体下落高度h 过程的初、末时刻的速度v 1、v 2，若关系式12mv 22－12mv 21＝mgh 成立，则物体的机械能守恒.一、实验目的验证机械能守恒定律．二、实验原理在自由落体运动中，若物体下落高度h 时的速度为v ，则有mgh ＝12mv 2．故只需借助打点计时器，通过纸带测出重物某时刻的下落高度h 和该时刻的瞬时速度v ，即可验证机械能守恒定律．三、实验器材铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带纸带夹)、纸带(数条)、复写纸、导线、毫米刻度尺、学生电源．四、实验步骤1．按图所示把打点计时器固定在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好．2．把纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近．3．先接通电源，后松开手，让重物带着纸带自由下落．4．重复几次，得到3～5条打好点的纸带．5．选取点迹较为清晰，且第1、2两计时点间距接近 2__mm 的一条纸带，纸带上第1个点记为O ，然后在距离点O 较远的地方选取相等时间间隔的点，依次标上1、2、3…用刻度尺测出对应的下落高度h 1、h 2、h 3…6．计算出各点对应的瞬时速度v 1、v 2、v 3…7．计算出各点对应的势能减少量mgh n ，并和动能增加量12mv 2n 进行比较.要点1|注意事项和误差分析1．注意事项(1)实验中安装打点计时器时，限位孔必须在同一竖直线上，以减少摩擦阻力．打点计时器离地面高度约1 m ，实验用的纸带60 cm 左右即可．(2)实验时，必须先接通电源，让打点计时器工作正常以后才能松开纸带，让重物下落．(3)纸带上端要用手提着使其静止，这样可保证下落的初速度为零，并且纸带上打出的第一个点是清晰的一个小点．(4)测量下落高度时，都必须从起点算起，为了减小测量h值的误差，选取的各个计数点要离起始点远些．(5)实验中重物和纸带下落过程中要克服阻力(主要是打点计时器限位孔的阻力)做功，所以动能的增加量ΔE k一定小于重力势能的减少量ΔE p.(6)铁架台上固定打点计时器的夹子不可伸出太长，以防铁架台翻倒．2．误差分析(1)偶然误差：测量相关长度时带来的误差，减小的方法是多测几次取平均值．(2)系统误差：实验过程中要克服阻力(包括空气阻力和打点计时器阻力)做功，故动能的增加量ΔE k必定稍小于重力势能的减少量ΔE p.(3)电源频率不稳定也会带来误差．(1)如图所示为用打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置．关于这一实验，下列说法中正确的是________．A．需使用天平测出重物的质量B．应先释放纸带，后接通电源打点C．需使用秒表测出重物下落的时间D．测出纸带上两点迹间的距离，可知重物相应的下落高度(2)实验时，应使打点计时器的两个限位孔在同一竖直线上．这样做可以________(选填“消除”“减小”或“增大”)纸带与限位孔之间的摩擦．(3)在实际测量中，重物减少的重力势能通常会________(选填“略大于”“等于”或“略小于”)增加的动能．【思路点拨】 正确解答本题需要掌握：理解该实验的实验原理；实际实验中，重锤要受到空气阻力，纸带和打点计时器限位孔之间有摩擦力，故重物下落时要克服这些阻力做功，重力势能不能全部转化为动能．【解析】 (1)根据mgh ＝12mv 2，可知不需要测量重物的质量m ，故A 错误；开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放重锤，让它带着纸带一同落下，如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计时器的电源，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B 错误；我们可以通过打点计时器计算时间，不需要秒表，故C 错误；测出纸带上两点迹间的距离，可知重物相应的下落高度，故D 正确．故选D ．(2)打点计时器的两个限位孔如果不在在同一竖直线上．纸带运动中就会与限位孔之间有摩擦，重物下落时要克服这个阻力做功，重力势能不能全部转化为动能，实验存在误差．纸带与限位孔之间的摩擦是无法避免的，这样做只能减小纸带与限位孔之间的摩擦．(3)实际实验中，重锤要受到空气阻力，纸带和打点计时器限位孔之间有摩擦力，故重物下落时要克服这些阻力做功，重力势能不能全部转化为动能，有一小部分转化为内能，故重物减少的重力势能通常会略大于增加的动能．【答案】 (1)D (2)减小 (3)略大于用如图1所示的实验装置验证机械能守恒定律，实验所用的电源为学生电源，输出电压为6 V 的交流电和直流电两种．重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点痕进行测量，验证机械能守恒定律.(1)(多选)下面列举了该实验的几个操作步骤：A ．按照图示的装置安装器件；B ．将打点计时器接到电源的“直流输出”上；C ．用天平测出重锤的质量；D ．释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关，打出一条纸带；E ．测量纸带上某些点间的距离；F ．根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能．其中没有必要进行或者操作不当的步骤是________________．(将其选项对应的字母填在横线处)(2)已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz.查得当地的重力加速度g ＝9.80 m/s 2.测得所用重锤的质量为1.00 kg.实验中得到一条点迹清晰的纸带，把第一个点记作O ，每两个计数点之间有四点未画出，另选连续的3个计数点A 、B 、C 作为测量的点，如图2所示．经测量知道A 、B 、C 各点到O 点的距离分别为50.50 cm 、86.00 cm 、130.50 cm.根据以上数据，计算出打B 点时重锤的瞬时速度v B ＝________m/s ；重锤由O 点运动到B 点，重力势能减少了________J ，动能增加了________J(保留3位有效数字)．并可得出的结论是________________________．解析：(1)验证动能的增加量和重力势能的减小量是否相等，mgh ＝12mv 2，质量可以约去，不必要用天平测量重锤的质量，C 操作步骤不必要；打点计时器应接在电源的“交流输出”上，B 操作步骤不当；在实验的操作中，应先接通电源再释放纸带，D 操作步骤不当．(2)根据匀变速直线运动规律可知，B 点的瞬时速度v B ＝x AC 2T＝4.00 m/s ，重锤由O 点运动到B 点，重力势能减少了ΔE p ＝mgh ＝8.43 J ，动能的增加量ΔE k ＝12mv 2B ＝8.00 J ．在误差允许的范围内，重锤自由下落机械能守恒．答案：(1)BCD (2)4.00 8.43 8.00 在误差允许的范围内，重锤自由下落机械能守恒名师方法总结实验中，需保持提纸带的手不动，待接通电源，打点计时器工作稳定后再释放纸带让重锤下落；选取纸带时，本着点迹清晰且第1、2两点间距离接近2 mm 的原则；不需要测量重锤的质量，只需证明12v 2n ＝gh n 就可以了．要点2|实验数据的处理方法1．公式法：本实验不需要测出物体的质量m ，只需要验证mgh ＝12mv 2，即gh ＝12v 2即可． 2．图象法：以v 22为纵轴，h 为横轴，画出v 22­h 的图象，得到一条过原点的直线，斜率表示加速度g ，这是另一种处理数据的方法． 3．变形公式法：纸带上任取两点A 、B 点，测出h AB ，计算出v 2A 2－v 2B 2的值，在误差允许的范围内，gh AB ＝v 2A 2－v 2B 2，则机械能是守恒的． 4．速度的计算 根据匀变速直线运动的规律，利用纸带上的数据计算瞬时速度v ＝h n ＋1－h n －12T.典例2 用图示装置验证机械能守恒定律．实验前调整光电门位置使小球下落过程中球心通过光电门中的激光束．实验中通过断开电磁铁开关使小球从A 点下落，经过光电门B ，记录挡光时间Δt ，测出小球在AB 间下落的距离h .竖直平移光电门B ，重复上述步骤，测得多组h 及相应的Δt ，已知当地重力加速度为g .(1)实验中还需测量的物理量是____________．(2)小球通过光电门速度的表达式为v ＝____________．(3)根据测量数据描绘1Δt 2­h 图象，能否仅依据图象是过原点的直线就得出机械能守恒的结论？________，理由是________________________________．【思路点拨】 (1)该题利用自由落体运动来验证机械能守恒，因此需要测量物体自由下落的高度h AB ，以及物体通过B 点的速度大小，在测量速度时我们利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度，因此明白了实验原理即可知道需要测量的数据；(2)利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度；(3)根据机械能守恒的表达式可以求出所要求的关系式，然后分析答题．【解析】 (1)实验需要求出小球经过光电门时的速度，需要测出小球的直径d .(2)利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度，故v ＝d Δt. (3)根据机械能守恒的表达式有mgh ＝12mv 2， 即1Δt 2＝2gd 2h ， 不能依据图象是过原点的直线就得出机械能守恒的结论，当斜率近似等于2g d 2，才能判断小球下落过程中机械能守恒． 【答案】 (1)小球直径d (2)d Δt (3)不能 斜率近似等于2g d 2，才能判断小球下落过程中机械能守恒利用如图所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v 和下落高度h .某班同学利用实验得到的纸带，设计了四种测量方案，正确的是 ( )A ．用刻度尺测出物体下落的高度h ，并测出下落时间t ，通过v ＝gt 计算出瞬时速度vB ．用刻度尺测出物体下落的高度h ，并通过v ＝2gh 计算出瞬时速度vC ．根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v ，并通过h ＝v 22g计算出高度h D ．用刻度尺测出物体下落的高度h ，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v解析：自由落体运动只受重力，机械能守恒．如果把重物的实际运动看成自由落体运动，再运用自由落体的规律求解速度，那么就不需要验证，A 、B 、C 选项错误，D 选项正确．答案：D名师方法总结(1)利用gh ＝v 22来验证机械能守恒定律时，须保证打第一个点时的速度为零． (2)无论是利用gh 与v 22还是gh AB 与v 2B 2－v 2A 2来验证机械能守恒定律，速度v 均应利用该点前后相邻两点间的平均速度来求解，而不能用v ＝2gh 或v ＝gt 来求解．要点3|创新设计性实验验证机械能守恒定律的实验一般是利用自由落体运动来实现的，但可以通过变通实验装置，变通实验操作方法，达到验证实验的目的，解决此类问题的关键是了解实验目的、实验装置以及操作过程，明确实验原理，从而进一步分析需要测量的物理量，找出各量之间的关系，确定验证的表达式．典例3 有一种“傻瓜”照相机，其光圈(进光孔径)随被拍摄物体的亮度自动调节，而快门(曝光时间)是固定不变的．一位同学利用“傻瓜”照相机来做“验证机械能守恒定律”的实验．(1)首先这个同学事先测定了相机的曝光时间为t .(2)这位同学提出了下述实验方案：他从墙面前某点O ，使一个小石子自由落下，对小石子照相得到如图甲的照片，由于小石子的运动，它在照片上留下一条模糊的径迹AB ．通过测量OA 的距离为h ，AB 的距离为x ，当地的重力加速度为g ，由于相机曝光时间很短，可以认为A 点的速度近似等于AB 段的平均速度．则石子划过A 点时的速度大小v ＝__________(用题中给出的物理量字母表示)．(3)多次改变高度h ，重复上述实验，作出x 2随h 变化的图象如图乙所示，当图中已知量X 、H 和重力加速度g 及曝光时间为t 满足表达式______________时，可判断小球下落过程中机械能守恒．【思路点拨】 根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度求出石子划过A 点时的速度大小．抓住重力势能的减小量与动能的增加量相等，得出X 、H 和重力加速度g 及曝光时间为t 满足的表达式．【解析】 (2)根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度知，石子划过A 点的速度大小v ＝x t .(3)若机械能守恒，有mgH ＝12mv 2＝12m x 2t 2，即gH ＝X 22t 2. 【答案】 (2)x t (3)gH ＝X 22t 2 如图所示装置可用来验证机械能守恒定律．摆锤A 拴在长L的轻绳一端，另一端固定在O 点，在A 上放一个小铁片，现将摆锤拉起，使绳偏离竖直方向成θ角时由静止开始释放摆锤，当其到达最低位置时，受到竖直挡板P 阻挡而停止运动，之后铁片将飞离摆锤而做平抛运动．(1)为了验证摆锤在运动中机械能守恒，必须求出摆锤在最低点的速度．为了求出这一速度，实验中还应该测量哪些物理量？________________________________________________________________________.(2)根据测得的物理量表示摆锤在最低点的速度v ＝________________.(3)根据已知的和测得的物理量，写出摆锤在运动中机械能守恒的关系式为________________．解析：(1)本实验利用平抛运动规律求解摆锤在最低点的速度，需要测量遇到挡板后铁片的水平位移x 和竖直下落高度h .(2)根据平抛运动规律，x ＝vt ，h ＝12gt 2，联立解得v ＝x g 2h. (3)重锤下落过程中机械能守恒，mgL (1－cos θ)＝12mv 2，代入(2)中数据得，L (1－cos θ)＝x24h.答案：(1)遇到挡板后铁片的水平位移x和竖直下落高度h(2)xg2h(3)L(1－cosθ)＝x24h名师方法总结无论用什么方法验证机械能守恒定律，都要选取研究对象，找出重力势能的减少量和动能增加量的关系．【强化基础】1．(多选)下面列举的各个实例中，机械能守恒的是( )A．一小球在粘滞性较大的液体中匀速下落B．水平抛出的物体(不计空气阻力)C．拉住一个物体沿光滑斜面匀速上升D．物体在光滑斜面上自由下滑解析：一小球在粘滞性较大的液体中匀速下落，动能不变，势能减小，机械能减小，选项A错误；水平抛出的物体(不计空气阻力)只有重力做功，机械能守恒，选项B正确；拉住一个物体沿光滑斜面匀速上升，动能不变，势能增加，故机械能变大，选项C错误；物体在光滑斜面上自由下滑，只有重力做功，机械能守恒，选项D正确．故选BD．答案：BD2．某位同学做“验证机械能守恒定律”的实验，下列操作步骤中错误的是( ) A．把打点计时器固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源B ．将连有重锤的纸带穿过限位孔，将纸带和重锤提升到一定高度C ．先释放纸带，再接通电源D ．更换纸带，重复实验，根据记录处理数据解析：“在验证机械能守恒定律”的实验中，应先接通打点计时器的电源，打点计时器稳定工作后再释放纸带，故选项C 说法是错误的．答案：C3．在验证机械能守恒定律的实验中，需要直接测量的物理量是( )A ．重锤的质量B ．重锤下落的时间C ．重锤下落的高度D ．重锤的瞬时速度解析：在不需要求动能和势能值时，不必测出重物质量，只要12(v 22－v 21)＝g Δh 就能验证机械能守恒；重锤下落时间不需要测；重锤的瞬时速度不是直接测的物理量．答案：C4．“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解析：本实验中重物增加的动能略小于减少的重力势能的原因是重物及纸带在下落时受到阻力，D选项正确．答案：D【巩固易错】5．(多选)(2018·嘉兴模拟)如图实验器材中，能用于“探究小车速度随时间变化的规律”“探究加速度与力质量的关系”“探究做功与物体速度变化的关系”“验证机械能守恒定律”四个分组实验的是( )A BC D解析：“探究小车速度随时间的变化规律”需要的器材有：小车、打点计时器和纸带、钩码、刻度尺等；“探究加速度与力、质量的关系”需要的器材有：小车、打点计时器和纸带、天平、砝码、钩码、刻度尺等；“探究做功与物体速度变化的关系”需要的器材有：小车、打点计时器和纸带、橡皮筋、刻度尺等；“验证机械能守恒定律”需要的器材有：重锤、铁架台、打点计时器和纸带、刻度尺等，用于这四个实验都用到的器材是打点计时器和刻度尺，C、D选项正确．答案：CD6．(2018·湖南模拟)某同学用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”，他进行的部分操作步骤如下：(1)将两光电门固定在铁架台上，如图甲；(2)用螺旋测微器测量圆柱形重锤的高度L 如图乙所示，则L ＝________mm ；(3)接通光电门电源；(4)将重锤从光电门正上方由静止释放，让重锤下落并穿过两光电门；(5)若重锤通过光电门1、光电门2时，计时器记录下的时间分别为Δt 1、Δt 2.重锤的高度用L 表示，若已知当地的重力加速度为g ，要验证重锤从光电门1到光电门2的过程中机械能守恒，还需要测量的物理量是________________(写出物理量并用相关字母表示)．(6)需要验证的表达式为__________________(用相关字母表示)．解析：(2)螺旋测微器的读数等于固定刻度读数加上可动刻度读数，需估读．螺旋测微器的固定刻度读数为11 mm ，可动刻度读数为0.01×20.6 mm ＝0.206 mm ，则最终读数为11.206 mm.(5)(6)根据极限的思想可知，极短时间内的平均速度等于瞬时速度，重锤通过两个光电门的瞬时速度v 1＝L Δt 1，v 2＝L Δt 2，动能的增加量ΔE k ＝12mv 22－12mv 21＝12m ⎝ ⎛⎭⎪⎫L Δt 22－12m ⎝ ⎛⎭⎪⎫L Δt 12.重力势能的减少量ΔE p ＝mgh .则需要验证的表达式是：mgh ＝12m ⎝ ⎛⎭⎪⎫L Δt 22－12m ⎝ ⎛⎭⎪⎫L Δt 12，即为：2gh ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫L Δt 22－⎝ ⎛⎭⎪⎫L Δt 12，可知还需要测量的物理量是光电门1与光电门2之间的高度差h . 答案：(2)11.206(11.204～11.207)(5)光电门1与光电门2之间的高度差h(6)2gh ＝⎝ ⎛⎭⎪⎫L Δt 22－⎝ ⎛⎭⎪⎫L Δt 12 【能力提升】7．在“验证机械能守恒定律”的实验中(所用电源频率为50 Hz)：(1)某同学用如甲图所示的装置进行实验，得到如乙图所示的纸带，把第一个点(初速度为零)记作O 点，测出点O 、A 间的距离为89.36 cm ，点A 、C 间的距离为17.24 cm ，点C 、E 间的距离为18.76 cm ，已知当地重力加速度为9.80 m/s 2，重锤的质量为m ＝1.0 kg ，则打点计时器在打O 点到C 点的这段时间内，重锤动能的增加量为________ J ，重力势能的减少量为________ J ．(计算结果保留三位有效数字)(2)利用该装置可以测量重锤下落的加速度a ＝________ m/s 2.(计算结果保留三位有效数字) 解析：(1)利用匀变速直线运动的推论v C ＝x AE 4T ＝0.172 4＋0.187 60.08＝4.5 m/s ，则 ΔE k ＝12mv 2C ＝12×0.5×(4.5)2＝10.1 J ，重锤由O 点运动到C 点时，重锤的重力势能的减少量ΔE p ＝mgh ＝0.5×9.8×(0.893 6＋0.172 4) J ＝10.4 J.(2)根据Δx ＝aT 2得重锤下落的加速度a ＝Δx T 2＝0.187 6－0.172 40.042＝9.50 m/s 2.答案：(1)10.1 10.4 (2)9.508．(2018·浙江二模)“验证机械能守恒定律”的实验．(1)实验室提供了铁架台、夹子、导线、纸带等器材．为完成此实验，除了所给的器材，在图中还必须选取的实验器材是________．(2)下列方法有助于减小实验误差的是( )A．在重锤的正下方地面铺海绵B．必须从纸带上第一个点开始计算验证机械能是否守恒C．重复多次实验，重物必须从同一位置开始下落D．重物的密度尽量大一些(3)完成实验后，小明用刻度尺测量纸带距离时如图(乙)，已知打点计时器每0.02 s 打一个点，则B点对应的速度v B＝________m/s.若H点对应的速度为v H，重物下落的高度为h BH，重物质量为m，当地重力加速度为g，为得出实验结论完成实验，需要比较mgh BH与________________的大小关系(用题中字母表示)．解析：(1)该实验中可以选用电磁打点计时器和学生电源或者是电火花计时器．在实验中需要刻度尺测量纸带上点与点间的距离从而可知重锤下降的距离，故需要毫米刻度尺．(2)在重锤的正下方地面铺海绵，目的是保护仪器，A选项错误；该实验是比较重力势能的减少量与动能增加量的关系，不一定要从纸带上第一个点开始计算验证，B选项错误；重复多次实验时，重物不需要从同一位置开始下落，C选项错误；选重物的密度尽量大一些，可以减小摩擦阻力和空气阻力的影响，从而减少实验误差，D选项正确．(3)根据刻度尺的读数规则可知，AC之间的距离x AC＝5.40 cm.根据匀变速直线运动的规律可知，一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，B 点瞬时速度的大小v B ＝x AC 2T＝1.35 m/s. 根据机械能守恒可知，mgh BH ＝12mv 2H －12mv 2B . 答案：(1)电磁打点计时器和学生电源(或者是电火花计时器)、毫米刻度尺 (2)D(3)1.35 12mv 2H －12mv 2B。

9．实验：验证机械能守恒定律三维目标知识与技能1．要弄清实验目的，本实验为验证性实验，目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律；2．要明确实验原理，掌握实验的操作方法与技巧、学会实验数据的采集与处理，能够进行实验误差的分析，从而使我们对机械能守恒定律的认识，不止停留在理论的推导上，而且还能够通过亲自操作和实际观测，从感性上增加认识，深化对机械能守恒定律的理解；3．要明确纸带选取及测量瞬时速度简单而准确的方法。

过程与方法1．通过学生自主学习，培养学生设计实验、采集数据，处理数据及实验误差分析的能力；2．通过同学们的亲自操作和实际观测掌握实验的方法与技巧；3．通过对纸带的处理过程培养学生获取信息、处理信息的能力，体会处理问题的方法，领悟如何间接测一些不能直接测量的物理量的方法；4．通过实验过程使学生体验实验中理性思维的重要，既要动手，更要动脑。

情感态度与价值观1．通过实验及误差分析，培养学生实事求是的科学态度，激发学生对物理规律的探知欲；2．使学生通过实验体会成功的乐趣与成就感，激发对物理世界的求知欲；3．培养学生的团结合作精神和协作意识，敢于提出与别人不同的见解。

教学重点实验原理及方法的选择及掌握。

教学难点实验误差分析的方法。

教学方法预习设计──实验观察──数据处理──归纳总结。

教师启发、引导，学生自主阅读、思考，亲自动手实验，并讨论、交流学习成果。

教学用具电火花计时器（或电磁打点计时器）；重物（质量300g±3g）及纸带；天平（秤量大于300g）及砝码；铁架台、复夹、烧瓶夹；电源。

教学过程 ［新课导入］上节课我们从理论上学习了机械能守恒定律，我们从定律内容及守恒条件上初步理解了机械能守恒定律，这一节将通过实验来研究物体自由下落过程中动能与势能的变化，从而验证机械能守恒定律。

［新课教学］ 【实验目的】利用重物自由下落的现象验证机械能守恒定律。

【实验方法】重物的质量用天平测出（本实验也可以不测重物的质量），纸带上某两点的距离等于重物下落的高度，这样就能得到重物下落过程中势能的变化。