


人教版 (2019)必修 第二冊(cè)5 實(shí)驗(yàn):驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案設(shè)計(jì)
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這是一份人教版 (2019)必修 第二冊(cè)5 實(shí)驗(yàn):驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案設(shè)計(jì),共5頁(yè)。
一、實(shí)驗(yàn)思路
機(jī)械能守恒的前提是“只有____________做功”,因此研究過(guò)程一定要滿足這一條件。本節(jié)實(shí)驗(yàn)我們以只有重力做功的過(guò)程進(jìn)行研究。
二、物理量的測(cè)量及數(shù)據(jù)分析
只有重力做功時(shí),只發(fā)生重力勢(shì)能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。
(1)要驗(yàn)證的表達(dá)式:eq \f(1,2)mv22+mgh2=________________或eq \f(1,2)mv22-eq \f(1,2)mv12=________________。
(2)所需測(cè)量的物理量:物體所處兩位置之間的________、物體的________。
三、參考案例
案例1 研究自由下落物體的機(jī)械能
1.實(shí)驗(yàn)器材
鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、________________、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙(或墨粉紙盤(pán))、導(dǎo)線、________、________。
2.實(shí)驗(yàn)步驟
(1)安裝裝置:按圖甲所示把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝在鐵架臺(tái)上,用導(dǎo)線把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與電源連接好。
(2)打紙帶:在紙帶的一端把重物用夾子固定好,另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔,用手豎直提起紙帶使重物停靠在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近。先接通電源后釋放紙帶,讓重物拉著紙帶自由下落。重復(fù)幾次,得到3~5條打好點(diǎn)的紙帶。
(3)選紙帶并測(cè)量:選擇一條點(diǎn)跡清晰的紙帶,確定要研究的開(kāi)始和結(jié)束的位置,測(cè)量并計(jì)算出兩位置之間的距離Δh及在兩位置時(shí)紙帶的速度,代入表達(dá)式進(jìn)行驗(yàn)證。
3.?dāng)?shù)據(jù)處理
(1)計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度:如圖乙所示,根據(jù)公式vn=____________,計(jì)算出某一點(diǎn)的瞬時(shí)速度vn。
(2)驗(yàn)證方法
方法一:利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)。
選擇開(kāi)始的兩點(diǎn)間距接近________的一條紙帶,打的第一個(gè)點(diǎn)為起始點(diǎn),如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)________________,則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。
方法二:任取兩點(diǎn)A、B。
如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)_______________________________________________,則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。
方法三:圖像法(如圖所示)。
若在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)圖線是一條過(guò)原點(diǎn)且斜率為_(kāi)_______的直線,則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。
4.誤差分析
本實(shí)驗(yàn)的誤差主要是測(cè)量紙帶產(chǎn)生的偶然誤差以及重物和紙帶運(yùn)動(dòng)中的空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差。
5.注意事項(xiàng)
(1)安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí),要使兩限位孔在____________上,以減小摩擦阻力。
(2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物。
(3)實(shí)驗(yàn)時(shí),應(yīng)先________,讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后再松開(kāi)紙帶讓重物下落。
(4)本實(shí)驗(yàn)中的幾種驗(yàn)證方法均不需要測(cè)重物的質(zhì)量m。
(5)速度不能用v=gt或v=eq \r(2gh)計(jì)算,應(yīng)根據(jù)紙帶上測(cè)得的數(shù)據(jù),利用vn=eq \f(hn+1-h(huán)n-1,2T)計(jì)算。
案例2 研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能
1.實(shí)驗(yàn)器材
如圖所示,氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字計(jì)時(shí)器、帶有遮光條的滑塊。
2.實(shí)驗(yàn)步驟
把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài),滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時(shí),忽略空氣阻力,重力勢(shì)能減小,動(dòng)能增大。
測(cè)量?jī)晒怆婇T(mén)之間高度差Δh和滑塊通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)時(shí)的速度v1、v2,代入表達(dá)式驗(yàn)證。
3.物理量的測(cè)量及數(shù)據(jù)處理
(1)測(cè)量?jī)晒怆婇T(mén)之間的高度差Δh;
(2)根據(jù)滑塊經(jīng)過(guò)兩光電門(mén)時(shí)遮光條的遮光時(shí)間Δt1和Δt2,計(jì)算滑塊經(jīng)過(guò)兩光電門(mén)時(shí)的瞬時(shí)速度。
若遮光條的寬度為ΔL,則滑塊經(jīng)過(guò)兩光電門(mén)時(shí)的速度分別為v1=____________,v2=____________;
(3)若在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)滿足________________,則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。
4.誤差分析
兩光電門(mén)之間的距離稍大一些,可以減小誤差;遮光條的寬度越小,誤差越小。
例1 (2022·重慶北碚西南大學(xué)附中高一期中)用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。重錘從高處由靜止開(kāi)始下落,重錘上拖著的紙帶通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,打出一系列的點(diǎn),對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測(cè)量,即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間。
(1)下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)操作步驟:
A.按照?qǐng)D示安裝好實(shí)驗(yàn)器材并連接好電源
B.先打開(kāi)夾子釋放紙帶,再接通電源開(kāi)關(guān)打出一條紙帶
C.測(cè)量紙帶上點(diǎn)跡間的距離
D.根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重錘下落過(guò)程中減少的重力勢(shì)能是否等于增加的動(dòng)能
其中操作不當(dāng)?shù)牟襟E是________(選填步驟前的字母)。
(2)如圖乙所示,選取紙帶上的連續(xù)的五個(gè)點(diǎn)A、B、C、D、E,測(cè)量出點(diǎn)B距起點(diǎn)O的距離s0,點(diǎn)B、C間的距離為s1,點(diǎn)C、D間的距離為s2,若相鄰兩點(diǎn)的打點(diǎn)時(shí)間間隔為T(mén),重錘質(zhì)量為m,根據(jù)這些條件計(jì)算重錘從O下落到C時(shí)的重力勢(shì)能減少量ΔEp=________,動(dòng)能增加量ΔEk=________;在實(shí)際計(jì)算中發(fā)現(xiàn),重錘減少的重力勢(shì)能總是大于重錘增加的動(dòng)能,其原因主要是____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)某同學(xué)利用圖中紙帶,先分別測(cè)量出從A點(diǎn)到B、C、D、E、F、G點(diǎn)的距離h(其中F、G點(diǎn)為E點(diǎn)后連續(xù)打出的點(diǎn),圖中未畫(huà)出),再計(jì)算打出B、C、D、E、F各點(diǎn)時(shí)重錘下落的速度v和v2,繪制v2-h(huán)圖像,并求得圖線的斜率為k,如圖丙所示。請(qǐng)說(shuō)明如何根據(jù)圖像驗(yàn)證重錘下落過(guò)程機(jī)械能是否守恒:__________________________________________
________________________________________________________________________。
例2 現(xiàn)利用如圖所示裝置“驗(yàn)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(gè)光電門(mén),與它們連接的數(shù)字計(jì)時(shí)器都沒(méi)有畫(huà)出。讓滑塊從斜面的頂端滑下,光電門(mén)1、2各自連接的數(shù)字計(jì)時(shí)器顯示的擋光時(shí)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(zhǎng)度為5.00 cm,光電門(mén)1和2之間的距離為0.54 m,g取9.80 m/s2,取滑塊經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)的速度為其平均速度。(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)
(1)滑塊通過(guò)光電門(mén)1時(shí)的速度v1=____ m/s,通過(guò)光電門(mén)2時(shí)的速度v2=________ m/s。
(2)滑塊通過(guò)光電門(mén)1、2過(guò)程的動(dòng)能增加量為_(kāi)_____ J,重力勢(shì)能的減少量為_(kāi)_____ J。
(3)實(shí)驗(yàn)可以得出的結(jié)論:__________________________________________________
________________________________________________________________________。
例3 用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,物塊2從高處由靜止開(kāi)始下落,物塊1上拖著的紙帶打出了一系列的點(diǎn),對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測(cè)量,即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。圖乙給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶,其中0是打下的第一個(gè)點(diǎn),每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)(圖中未標(biāo)出),計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖乙所示。已知物塊1、2的質(zhì)量分別為m1=50 g、m2=150 g。(電源頻率為50 Hz,結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)
(1)在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v5=____________ m/s。
(2)在打點(diǎn)0~5過(guò)程中,系統(tǒng)動(dòng)能的增加量ΔEk=______ J,系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量ΔEp減=____ J。(g取10 m/s2)
(3)若某同學(xué)作出的eq \f(1,2)v2-h(huán)圖像如圖丙所示,則當(dāng)?shù)氐膶?shí)際重力加速度g=________ m/s2。
例4 如圖所示裝置可用來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。長(zhǎng)度為L(zhǎng)的輕繩一端固定在O點(diǎn),另一端系一擺錘A,在A上放一個(gè)小鐵片?,F(xiàn)將擺錘拉起,使輕繩偏離豎直方向θ角,由靜止開(kāi)始釋放擺錘,當(dāng)其到達(dá)最低位置時(shí),受到豎直擋板P阻擋而停止運(yùn)動(dòng),這時(shí)鐵片將做平拋運(yùn)動(dòng)而飛離擺錘,用刻度尺量出鐵片的水平位移為x,下落高度為H。(不計(jì)A與鐵片間的摩擦)
(1)要驗(yàn)證擺錘在運(yùn)動(dòng)中機(jī)械能守恒,必須求出擺錘初始位置離最低位置的高度,其高度為_(kāi)_________,同時(shí)還應(yīng)求出擺錘在最低位置時(shí)的速度,其速度應(yīng)為_(kāi)_______。(重力加速度為g)
(2)用實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的物理量寫(xiě)出驗(yàn)證擺錘在運(yùn)動(dòng)中機(jī)械能守恒的關(guān)系式為_(kāi)__________。
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