版高考物理一轮复习第5章机械能第5节实验探究动能定理验证机械能守恒定律学案.docx

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版高考物理一轮复习第5章机械能第5节实验探究动能定理验证机械能守恒定律学案

第5节　实验：

探究动能定理　验证机械能守恒定律

一、实验：

探究动能定理

1．实验目的：

（1）探究动能定理．

（2）感悟实验方案的设计和实验数据的处理方法．

2．实验的方法：

如图所示，依次用2根、4根、6根……同样的橡皮筋与物体相连接，并且每次将橡皮筋拉伸相同的长度，这样操作，无须计算就可知道橡皮筋对物体所做的功依次为W、2W、3W……

而每次橡皮筋对物体做功后的速度，可用打点计时器测出．

3．实验器材：

打点计时器（含纸带、学生电源、复写纸、连接导线）、同种橡皮条（10根）、小车、长木板、钉子、刻度尺．

4．实验步骤：

（1）按图连接好器材．橡皮筋的一端套在小车上，另一端套在钉子上，第一次用两根橡皮筋．将长木板倾斜一个角度，使重力沿斜面向下的分力平衡小车受到的摩擦力．

（2）将小车拉到靠近打点计时器的位置（在橡皮筋弹性限度内），并标记下此位置；接通电源后松手．

（3）换上纸带，并在纸带上做好标记，每次增加两根橡皮筋，然后将小车拉到同一位置，接通电源后松手．依次再做四次．

（4）根据纸带求橡皮筋对小车做功后的速度．在每条纸带上找出点间距相等的那部分，它记录的是小车做匀速运动的情况，如图所示的计数点B、E、C部分．用刻度尺量出计数点B、C之间的距离d，设相邻两计数点间的时间隔为T，那么，橡皮筋对小车做功后的速度：

vi＝____．

（5）分析测量数据得出实验结论．根据实验所得数据Wi与vi，猜想Wi与vi的关系，先看它们是否满足最简单的正比关系，即：

Wi∝vi.接着再猜想Wi∝v？

大致成立后，再作Wi－v图进行验证．

5．实验结论：

Wi∝v.

6．实验中应注意事项

（1）平衡摩擦力：

实验中的小车不可避免地要受到摩擦力的作用，为了保证橡皮筋对物体的功就是合外力的功，必须设法排除摩擦力的影响．可采用将木板一端垫高的方法来实现．将木板一端垫高，让自由小车（不系橡皮筋时）能在木板上匀速运动，使重力沿斜面方向的分力与摩擦力相平衡，就消除了摩擦力的影响．

（2）每次实验所用的每条橡皮筋，其长度、材料和粗细都应是相同的，并且橡皮筋拉伸的长度都保持一致．

（3）打点计时器打出的纸带上相邻各点的间距并不均匀，应选点间间距相等的一段纸带来计算小车的速度，因这一小段是橡皮筋对小车做功完毕时的情形．

二、实验：

验证机械能守恒定律

1．实验目的：

验证物体做自由落体运动时机械能守恒．巩固由纸带求瞬时速度的方法，体验误差分析．

2．实验原理：

自由下落的物体只有重力做功，若减小的势能等于增加的动能，即：

__－ΔEp＝ΔEk__，则物体机械能守恒．

3．实验的方法：

让连着纸带的重物由静止自由下落，重物下落的高度h，和下落高度h时重物的速度v，可根据纸带得出．看__gh＝v2__是否成立．

4．实验器材：

铁架台、重物、打点计时器、低压交流电源、开关、刻度尺、复写纸、纸带、导线．

5．实验步骤：

（1）按装置图a安装好器材，注意打点计时器板面竖直，保证两个限位孔中心在同一竖直线上，并用导线将计时器接到低压交流电源上．

（2）将长约1米的纸带一端用小夹子固定在重物上后，另一端（上端）穿过打点计时器限位孔，用手提着纸带，使重物静止并靠近计时器的下方．

（3）接通电源，让重物带动纸带自由下落，计时器在纸带上打下一系列的点．

（4）换几次纸带，重复上述

（2）、（3）步骤．

（5）在所得到的纸带中，选取点迹清晰的3条纸带进行测量．先记下第一点作为O点，再在纸带上点迹清晰部分依次连续地选取三个计数点，且相邻两计数点间的时间相等，设为T，如图b所示的D、E、F三点，用刻度尺测出距O点到E点的距离设为hi，以及D、F间的距离s.

（6）用公式vi＝，计算出E点对应速度．

（7）看势能减少量mghi是否等于动能增加量mv.

6．实验结论：

重物自由下落时机械能守恒．

7．实验中应注意的事项．

（1）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v＝ghi就行了．

（2）打点计时器要竖直架稳，使板面在同一竖直平面内，其两限位孔中心要在同一竖直线上，以尽量减少纸带与打点计时器间的摩擦阻力．

（3）实验时，必须先接通电源，让打点计时器正常工作后才能松开纸带让重物下落．

（4）测量下落高度时，都必须从起始点算起，不能弄错．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适当远些．

（5）由于实验中不可避免地存在纸带与限位孔、振针间的摩擦及空气阻力作用，因此减小的重力势能值ΔEp要大于增加的动能值ΔEk.

对应学生用书p104

例1　某学习小组做“探究功与速度变化的关系”的实验，实验装置如图所示，图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出的，沿木板滑行，橡皮筋对小车做的功记为W.当用2条、3条……完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……实验时（每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致），每次实验中小车获得的速度根据打点计时器打在纸带上的点进行计算．

（1）除了上图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和________（选填“交流”或“直流”）电源．

（2）实验中，小车会受到摩擦力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡摩擦力，则下面操作正确的是________．

A．放开未拖着纸带的小车，能够自由下滑即可

B．放开未拖着纸带的小车，能够匀速下滑即可

C．放开拖着纸带的小车，能够自由下滑即可

D．放开拖着纸带的小车，能够匀速下滑即可

（3）若木板水平放置，小车在两条橡皮筋作用下运动，当小车速度最大时，关于橡皮筋所处的状态，下列说法正确的是________．

A．橡皮筋处于原长状态

B．橡皮筋仍处于伸长状态

[解析]

（1）打点计时器使用的是交流电源．

（2）平衡摩擦力时，应将纸带穿过打点计时器，放开拖着纸带的小车，小车能够匀速下滑即可，D正确．

（3）水平放置木板，放开小车后，小车做加速运动，当橡皮筋的拉力大小等于摩擦力大小时，小车的速度最大，此时橡皮筋仍处于伸长状态，B正确．

[答案]

（1）交流　

（2）D　（3）B

例2　某同学用如图甲所示的装置，利用重物自由下落来验证机械能守恒定律．

（1）该实验中，下列做法正确的是________．

A．重物选用质量和密度较大的金属锤

B．应先释放重物后接通电源

C．两限位孔在同一竖直面内上下正对

D．可以由公式v＝gt求打某点时纸带的速度

（2）实验中得到的一条点迹清晰的纸带如图乙所示，若把第一个点记做O，另选连续的三个点A、B、C作为测量点，测得A、B、C到O的距离分别为71.18cm、78.76cm、86.76cm.所用重物的质量为1.00kg.打点计时器所用交流电的频率为50Hz.g取10m/s2.

①乙图中，纸带的________（填“左”或“右”）端与重物相连；

②根据以上数据，可知重物由O点运动到B点，重力势能的减少量为______J，动能的增加量为______J．（计算结果保留三位有效数字）

[解析]

（1）为了减小阻力的影响，重物应选用质量大、体积小、密度大的材料，A正确；实验时应先接通电源后释放重物，B错误；两限位孔在同一竖直面内上下正对，避免纸带与限位孔摩擦，减小误差，C正确；实验时不能根据v＝gt求解瞬时速度，否则默认机械能守恒，失去验证的意义，D错误．

（2）①重物做加速运动，所以打点间距逐渐变大，左端和重物相连．

②重力势能减小量ΔEp＝mghOB＝1×10×0.7876J≈7.88J.

打B点重物的瞬时速度vB＝＝m/s＝3.895m/s，则动能增加量

ΔEk＝mv＝×1×3.8952J≈7.59J.

[答案]

（1）AC　

（2）①左　②7.88　7.59

【变式1】　在用如图所示的装置做“探究功与速度变化的关系”的实验中．

（1）下列说法不正确的是（　　）

A．为了平衡摩擦力，实验中可以将长木板的左端适当垫高，使小车拉着穿过打点计时器的纸带自由下滑时能保持匀速运动

B．为简便起见，每次实验中橡皮筋的规格要相同，拉伸的长度要一样

C．可以通过改变橡皮筋的条数来改变拉力做功的数值

D．可以通过改变小车的质量来改变拉力做功的数值

（2）根据实验数据作出了如图所示的W－v图象，下列符合实际的是（　　）

（3）某同学在一次实验中，得到一条记录纸带．纸带上打出的点，两端密、中间疏．出现这种情况的原因是：

________________________________．

[答案]

（1）D　

（2）B　（3）可能没有使木板倾斜或倾角太小

【变式2】　用如图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，输出电压有6V的交流电和直流电两种．重物从高处由静止开始下落，重物拖着纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点进行测量，即可验证机械能守恒定律．

（1）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端上；

C．用天平测出重物的质量；

D．释放纸带，同时接通电源开关打出一条纸带；

E．测量打出的纸带上某些点之间的距离；

F．根据测量的结果计算重物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恰当的步骤是________．（将其选项对应的字母填在横线处）

（2）在验证机械能守恒定律的实验中，若以v2为纵轴、以h为横轴，根据实验数据绘出v2－h的图象应是____________________，才能验证机械能守恒定律.v2－h图象的斜率等于________的数值．

[解析]

（1）打点计时器应接到电源的交流输出端上，故B错误；验证机械能是否守恒只需验证mgh＝mv2，即gh＝v2，m可约去，故不需要用天平测重物的质量，故C没有必要进行；开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放重物，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，会使实验产生较大的误差，故D错误．

（2）利用v2h图线处理数据，物体自由下落过程中机械能守恒，mgh＝mv2，即v2＝gh，若以v2为纵轴、以h为横轴，画出的图线应是过原点的倾斜直线，由以上易知v2－h图线的斜率就等于重力加速度g的数值．

[答案]

（1）BCD　

（2）过原点的倾斜直线　重力加速度g

例3　利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验．

（1）为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的________．

A．动能变化量与势能变化量

B．速度变化量和势能变化量

C．速度变化量和高度变化量

（2）除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是________．

A．交流电源

B．刻度尺

C．天平（含砝码）

（3）实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图乙所示的一条纸带．在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC.已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T.设重物的质量为m.从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp＝________，动能变化量ΔEk＝________．

（4）大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是________．

A．利用公式v＝gt计算重物速度

B．利用公式v＝计算重物速度

C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响

D．没有采用多次实验取平均值的方法

（5）某同学想用下述方法研究机械能是否守恒：

在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2－h图象，并做如下判断：

若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒，