《高中物理必修 第五章 实验五 探究功与物体速度变化的关系&实验六验证机械能守恒定律》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理必修 第五章 实验五 探究功与物体速度变化的关系&实验六验证机械能守恒定律（55页珍藏版）》请在装配图网上搜索。
1、一、实验目的一、实验目的1探究外力做功与物体速度变化的关系探究外力做功与物体速度变化的关系2通过分析论证和实验探究，培养实验探究能力和创新通过分析论证和实验探究，培养实验探究能力和创新 精神精神二、实验原理二、实验原理 如图实如图实51所示，小车在橡皮筋的作用下弹出，沿所示，小车在橡皮筋的作用下弹出，沿木板滑行当我们用木板滑行当我们用2条、条、3条条同样的橡皮筋进行第同样的橡皮筋进行第2次、次、第第3次次实验时，使每次实验中橡皮筋拉伸的长度实验时，使每次实验中橡皮筋拉伸的长度都保持一致，那么，第都保持一致，那么，第2次、第次、第3次次实验中橡皮筋对小实验中橡皮筋对小车做的功就是第一次的车做的功
2、就是第一次的2倍、倍、3倍倍如果把第一次实验时如果把第一次实验时橡皮筋的功记为橡皮筋的功记为W，以后各次的功就是，以后各次的功就是2W、3W 由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由纸带和打由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由纸带和打点计时器测出，也可以用其他方法测出这样，进行若干点计时器测出，也可以用其他方法测出这样，进行若干次测量，就得到若干组功和速度的数据次测量，就得到若干组功和速度的数据 以橡皮筋对小车做的功为纵坐标，小车获得的速度为以橡皮筋对小车做的功为纵坐标，小车获得的速度为横坐横坐 标，以第一次实验时的功标，以第一次实验时的功W为单位，作出为单位，作出Wv曲线，曲线，即功速度曲线
3、分析这条曲线，可以得知橡皮筋对小车即功速度曲线分析这条曲线，可以得知橡皮筋对小车做的功与小车获得的速度的定量关系或者作出做的功与小车获得的速度的定量关系或者作出Wv2图图象，指出象，指出W与与v2的关系，进而找出功与动能变化之间的关的关系，进而找出功与动能变化之间的关系系三、实验器材三、实验器材 小车小车(前面带小钩前面带小钩)、长木板、长木板(两侧适当的对称位置钉两两侧适当的对称位置钉两个铁钉个铁钉)、打点计时器及纸带、学生电源及导线、打点计时器及纸带、学生电源及导线(使用电火使用电火花计时器不用学生电源花计时器不用学生电源)、56条等长的橡皮筋、刻度尺条等长的橡皮筋、刻度尺四、实验操作四、
4、实验操作1实验步骤实验步骤(1)按图实按图实51所示将实验仪器安装好，同时平衡摩擦力所示将实验仪器安装好，同时平衡摩擦力(2)先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获先用一条橡皮筋做实验，用打点计时器和纸带测出小车获 得的速度得的速度v1，设此时橡皮筋对小车做的功为，设此时橡皮筋对小车做的功为W1，将这一组，将这一组 数据记入表格数据记入表格(3)用用2条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次条橡皮筋做实验，实验中橡皮筋拉伸的长度与第一次 相同，这时橡皮筋对小车做的功为相同，这时橡皮筋对小车做的功为W2，测出小车获得的速，测出小车获得的速 度度v2，将数据记入表格，将数据记入表
5、格(4)用用3条、条、4条条橡皮筋做实验，用同样的方法测出功和速橡皮筋做实验，用同样的方法测出功和速 度，记入表格度，记入表格2数据处理数据处理(1)测量小车的速度：实验获得如图实测量小车的速度：实验获得如图实52所示的纸带，所示的纸带， 为探究橡皮筋弹力做的功和小车为探究橡皮筋弹力做的功和小车 速度的关系，需要测量弹力做功速度的关系，需要测量弹力做功 结束时小车的速度，即小车做匀结束时小车的速度，即小车做匀 速运动的速度，应在纸带上测量速运动的速度，应在纸带上测量 的物理量是：的物理量是：A1、A2间的距离间的距离x， 小车速度的表达式是小车速度的表达式是v (T为打为打 点计时器的时间间隔
6、点计时器的时间间隔)(2)实验数据记录实验数据记录橡皮筋橡皮筋条数条数位移位移x/m时间时间t/s速度速度v/(ms1)速度平方速度平方v2/(m2s2) (3)实验数据处理及分析：在坐标纸上实验数据处理及分析：在坐标纸上(图实图实53)画出画出Wv和和Wv2图线图线(“W”以一根橡皮筋做的功为单位以一根橡皮筋做的功为单位)(4)实验结论：从图象可知功与物体速度变化的关系为实验结论：从图象可知功与物体速度变化的关系为Wv2.五、注意事项五、注意事项1平衡摩擦力很关键，将木板一端垫高，使小车的重力沿斜平衡摩擦力很关键，将木板一端垫高，使小车的重力沿斜 面向下的分力与摩擦阻力平衡方法是轻推小车，由
7、打点面向下的分力与摩擦阻力平衡方法是轻推小车，由打点 计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否做匀速运计时器打在纸带上的点的均匀程度判断小车是否做匀速运 动，找到木板的一个合适的倾角动，找到木板的一个合适的倾角2测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小测小车速度时，纸带上的点应选均匀部分的，也就是选小 车做匀速运动状态的车做匀速运动状态的3橡皮筋应选规格一样的力对小车做的功以一条橡皮筋做橡皮筋应选规格一样的力对小车做的功以一条橡皮筋做 的功为单位即可，不必计算出具体数值的功为单位即可，不必计算出具体数值4小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些小车质量应大一些，使纸带上打的点多一些六
8、、误差分析六、误差分析1误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋 的拉力做的功的拉力做的功W与橡皮筋的条数不成正比与橡皮筋的条数不成正比2没有完全平衡摩擦力没有完全平衡摩擦力(倾角小倾角小)或平衡摩擦力过度或平衡摩擦力过度(倾角过倾角过 大大)也会造成误差也会造成误差3利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准带来利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准带来 误差误差 (2010金华模拟金华模拟)科学规律的发现离不开科学探科学规律的发现离不开科学探究，而科学探究可以分为理论探究和实验探究下面我究，而科学探究可以分为理论探究和实验探究下面
9、我们用实验探究恒力做功和物体动能变化之间的关系们用实验探究恒力做功和物体动能变化之间的关系(1)某同学的实验设计方案如图实某同学的实验设计方案如图实54所示，该实验用所示，该实验用钩码的重力表示小车受到的合外力，为此，实验时在安钩码的重力表示小车受到的合外力，为此，实验时在安装正确、操作规范的前提下装正确、操作规范的前提下(已平衡摩擦力已平衡摩擦力)，还需要满，还需要满足的条件是足的条件是.图实图实54(2)图实图实55所示是某次实验中得到的一条纸带，其中所示是某次实验中得到的一条纸带，其中A、B、C、D、E、F是该同学确定的计数点，相邻计数点是该同学确定的计数点，相邻计数点间的时间间隔为间的
10、时间间隔为T，距离如图所示则打，距离如图所示则打C点时小车的速点时小车的速度为度为；要验证合外力的功与动能变化间的关系，；要验证合外力的功与动能变化间的关系，除位移、速度外，还要测出的物理量有除位移、速度外，还要测出的物理量有.解析解析(1)只有当钩码的重力远小于小车的总重力时，才只有当钩码的重力远小于小车的总重力时，才能近似地认为小车受到的拉力等于钩码的重力能近似地认为小车受到的拉力等于钩码的重力(2)C点的速度等于点的速度等于BD段的平均速度，故段的平均速度，故vC 要验证合外力做的功和动能变化间的关系，需要测出小车要验证合外力做的功和动能变化间的关系，需要测出小车受到的拉力大小受到的拉力
11、大小(钩码的重力钩码的重力)和小车位移和小车位移(WFx)，以及小，以及小车的质量和速度车的质量和速度(Ek mv2)，所以还需要测出钩码的重，所以还需要测出钩码的重力和小车的总质量力和小车的总质量答案答案(1)钩码的重力远小于小车的总重力钩码的重力远小于小车的总重力(2) 钩码的重力和小车的总质量钩码的重力和小车的总质量 (2009广东高考广东高考)某实验小组利用拉力传感器和速某实验小组利用拉力传感器和速度传感器度传感器探究探究“动能定理动能定理”如图实如图实56所示，他们将所示，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑
12、轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的个定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的大小在水平桌面上相距大小在水平桌面上相距50.0 cm的的A、B两点各安装一个两点各安装一个速度传感器，记录小车通过速度传感器，记录小车通过A、B时的速度大小小车中可时的速度大小小车中可以放置砝码以放置砝码图实图实56(1)实验主要步骤如下：实验主要步骤如下：测量测量和拉力传感器的总质量和拉力传感器的总质量M1；把细线的一；把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路；正确连接所需电路；将小车停在将小车停在C点，点，小车
13、在细线拉动下运动，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过记录细线拉力及小车通过A、B时的速度时的速度在小车中增加砝码，或在小车中增加砝码，或，重复，重复的操作的操作(2)下表是他们测得的一组数据，其中下表是他们测得的一组数据，其中M是是M1与小车中砝与小车中砝码质量之和，码质量之和，|v22v12|是两个速度传感器记录速度的平是两个速度传感器记录速度的平方差，可以据此计算出动能变化量方差，可以据此计算出动能变化量E，F是拉力传感器受是拉力传感器受到的拉力，到的拉力，W是是F在在A、B间所做的功表格中的间所做的功表格中的E3，W3.(结果保留三位有效数字结果保留三位有效数字)次数次数 M/
14、kg|v12v22|/(m/s)2E/JF/NW/J10.5000.7600.1900.4000.20020.5001.650.4130.8400.42030.5002.40E31.220W341.0002.401.202.4201.2151.0002.841.422.8601.43(3)根据上表，请在图实根据上表，请在图实57所示的方格纸上作出所示的方格纸上作出EW图线图线图实图实57解析解析(1)该实验的研究对象是小车及固定在小车上该实验的研究对象是小车及固定在小车上的拉力传感器，因此，应测量小车和拉力传感器的总质的拉力传感器，因此，应测量小车和拉力传感器的总质量，将小车停在量，将小车停在
15、C点，再释放小车，重复操作，多得点，再释放小车，重复操作，多得几组数据时，有两个措施；改变小车质量几组数据时，有两个措施；改变小车质量(在小车中增加在小车中增加砝码砝码)和改变拉力大小和改变拉力大小(改变钩码的个数改变钩码的个数)(2)E3 M|v12v22|0.600 J.W2F3L0.610 J(3)选取适当标度，描点连线如图实选取适当标度，描点连线如图实58所示所示图实图实58答案答案(1)小车小车释放小车释放小车改变钩码数量改变钩码数量(2)0.6000.610(3)如图实如图实58所示所示一、实验目的一、实验目的 验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律二、实验原理二、实验原理1在只有重
16、力做功的自由落体运动中，物体的重力势能在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能 和动能互相转化，但总的机械能保持不变若物体某和动能互相转化，但总的机械能保持不变若物体某 时刻瞬时速度为时刻瞬时速度为v，下落高度为，下落高度为h，则重力势能的减少，则重力势能的减少 量为量为mgh，动能的增加量为，动能的增加量为 mv2，看它们在实验，看它们在实验误误 差允许的范围内是否相等，若相等则验证了机械能守差允许的范围内是否相等，若相等则验证了机械能守 恒定律恒定律2速度的测量：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度速度的测量：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度 等于相邻两点之间的平均速度等于相邻两点之
17、间的平均速度vt 2t 计算打第计算打第n个点速度的方法：测出第个点速度的方法：测出第n个点与相邻前后个点与相邻前后 点间的距离点间的距离xn和和xn1，由公式，由公式vn 或或vn 算出，如图实算出，如图实61所示所示三、实验器材三、实验器材 铁架台铁架台(含铁夹含铁夹)，打点计时器，学生电源，纸带，复，打点计时器，学生电源，纸带，复写纸，导线，毫米刻度尺，重物写纸，导线，毫米刻度尺，重物(带纸带夹带纸带夹)四、实验操作四、实验操作1实验步骤实验步骤(1)安装置：按图实安装置：按图实62所示将检查、所示将检查、 调整好的打点计时器竖直固定在铁架调整好的打点计时器竖直固定在铁架 台上，接好电路
18、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，另一端打纸带：将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，用手提着纸带使重物静止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，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让重物带着纸带自由下落 更换纸带重复做更换纸带重复做35次实验次实验(3)选纸带：分两种情况说明选纸带：分两种情况说明用用 mvn2mghn验证时，应选点迹清晰，且验证时，应选点迹清晰，且1、2两点间距离小于或接近两点间距离小于或接近2 mm的纸带若的纸带若1、2两点间两点间
19、的距离大于的距离大于2 mm，这是由于先释放纸带后接通电源造，这是由于先释放纸带后接通电源造成的这样，第成的这样，第1个点就不是运动的起始点了，这样的个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选纸带不能选用用 mvB2 mvA2mgh验证时，由于重力验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否大于两点间的距离是否大于2 mm就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用2数据处理数据处理(1)测量计算测量计算 在起始点标上在起始点
20、标上0，在以后各点依次标上，在以后各点依次标上1、2、3用用 刻度尺测出对应下落高度刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3 利用公式利用公式vn 计算出点计算出点1、点、点2、点、点3、 的瞬时速度的瞬时速度v1、v2、v3(2)验证守恒验证守恒 法一：法一：利用起始点和第利用起始点和第n点计算代入点计算代入ghn和和 vn2， 如果在实验误差允许的条件下，如果在实验误差允许的条件下，ghn vn2，则机，则机 械能守恒定律是正确的械能守恒定律是正确的 法二：法二：任取两点计算任取两点计算 任取两点任取两点A、B测出测出hAB，算出，算出ghAB. 算出算出 vB2 vA2的值的值 在实验误差
21、允许的条件下，如果在实验误差允许的条件下，如果ghAB vB2 vA2， 则机械能守恒定律是正确的则机械能守恒定律是正确的法三：法三：图象法从纸带上选取多个点，测量从第一点到图象法从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方，并计算各点速度的平方v2，然后，然后以以 v2为纵轴，以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出为横轴，根据实验数据绘出 v2h图线若在误差允许的范围内图象是一条过原点且图线若在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为斜率为g的直线，则验证了机械能守恒的直线，则验证了机械能守恒五、注意事项五、注意事项1打点计时器要稳定地固定在
22、铁架台上，打点计时器平打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面面 与纸带限位孔调整到竖直方向，以减小摩擦阻力与纸带限位孔调整到竖直方向，以减小摩擦阻力2重物要选用密度大、体积小的物体，这样可以减小空重物要选用密度大、体积小的物体，这样可以减小空气气 阻力的影响，从而减小实验误差阻力的影响，从而减小实验误差3实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，待待 接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带4速度不能用速度不能用vngtn或或vn 计算，因为只要认为加速计算，因为只要认为加速度度为为g，机械
23、能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用械能守恒定律，况且用vngtn计算出的速度比实际值大，计算出的速度比实际值大，会得出机械能增加的结论，而因为摩擦阻力的影响，机械会得出机械能增加的结论，而因为摩擦阻力的影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算同样的能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算同样的道理，重物下落的高度道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接测量，而不，也只能用刻度尺直接测量，而不能用能用hn gtn2或或hn 计算得到计算得到六、误差分析六、误差分析1本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各
24、种阻力本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力 (空气阻力、打点计时器阻力空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量做功，故动能的增加量 Ek稍小于重力势能的减少量稍小于重力势能的减少量Ep，即，即EkEp，这，这 属于系统误差改进的办法是调整器材的安装，尽可属于系统误差改进的办法是调整器材的安装，尽可 能地减少阻力能地减少阻力2本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差减小误差的办法是测下落距离时都从差减小误差的办法是测下落距离时都从0点量起，点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完或者采用多一次将各打点对应的下落高度测量完或者采用多
25、次测量取平均值来减小误差次测量取平均值来减小误差 (2010茂名模拟茂名模拟)(1)在在“验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律”的实验中，有如下可供选择的实验器材：铁架台、打点计的实验中，有如下可供选择的实验器材：铁架台、打点计时器以及复写纸、纸带、低压直流电源、天平、秒表、导时器以及复写纸、纸带、低压直流电源、天平、秒表、导线、电键其中不必要的器材是线、电键其中不必要的器材是_，缺少的，缺少的器材是器材是_(2)用如图实用如图实63所示的实验装置验证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机械能守恒定律，实验所用的电源为学生电源，输出电压有电源，输出电压有6 V的交流电和直流电
26、的交流电和直流电两种重锤从高处由静止开始落下，重锤两种重锤从高处由静止开始落下，重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律可验证机械能守恒定律下面列举了该实验的几个操作步骤：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；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端上；将打点计时器接到电源的直流输出端上；C用天平测量出重锤的质量；用天平测量出重锤的质量；D释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带；释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一
27、条纸带；E测量打出的纸带上某些点之间的距离；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锤下落过程中减少的重力势能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是否等于增加的动能指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤，将其指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤，将其选项对应的字母填在下面的横线上，并说明其原因选项对应的字母填在下面的横线上，并说明其原因答：答：_.解析解析(1)不必要的器材是低压直流电源、天平、秒不必要的器材是低压直流电源、天平、秒表缺少的器材是低压交流电源、重物、刻度尺表缺少的器材是低压交流电源、重物、刻度尺(2)步骤步骤B是错误的，应
28、该接到电源的交流输出端步骤是错误的，应该接到电源的交流输出端步骤D是错误的，应该先接通电源，待打点稳定后再释放纸是错误的，应该先接通电源，待打点稳定后再释放纸带步骤带步骤C不必要，因为根据测量原理，重锤的动能和势不必要，因为根据测量原理，重锤的动能和势能中都包含了质量能中都包含了质量m，可以约去，可以约去答案答案见解析见解析 在利用电磁打点计时器在利用电磁打点计时器(电磁打点计时器所用电电磁打点计时器所用电源频率为源频率为50 Hz)“验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律”的实验中：的实验中：(1)某同学用如图实某同学用如图实64所示的装置进行实验，得到如所示的装置进行实验，得到如图实图实65
29、所示的纸带，把第一个点所示的纸带，把第一个点(初速度为零初速度为零)记作记作O点，测出点点，测出点O、A间的距离为间的距离为68.97 cm，点，点A、C间的距离间的距离为为15.24 cm，点，点C、E间的距离为间的距离为16.76 cm，已知当地的重，已知当地的重力加速度为力加速度为9.8 m/s2，重锤的质量为，重锤的质量为m1.0 kg，则打点，则打点计时器在打计时器在打O点到点到C点的这段时间内，重锤动能的增加量点的这段时间内，重锤动能的增加量为为_J，重力势能的减少量为，重力势能的减少量为_J.(2)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a_m
30、/s2.(3)在实验中发现，重锤减少的重力势能总大于重锤增加的在实验中发现，重锤减少的重力势能总大于重锤增加的动能，其原因主要是因为在重锤带着纸带下落的过程中存动能，其原因主要是因为在重锤带着纸带下落的过程中存在着阻力的作用，用题目中给出的已知量求出重锤下落过在着阻力的作用，用题目中给出的已知量求出重锤下落过程中受到的平均阻力大小为程中受到的平均阻力大小为_N.解析解析 本题主要考查本题主要考查“验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律”这个实这个实验的基本原理、应用及误差分析，并且综合考查了牛顿验的基本原理、应用及误差分析，并且综合考查了牛顿第二定律第二定律(1)C点速度点速度vC 4.00 m/ss该过程动能的增加量该过程动能的增加量.Ek mvC2 1.0(4.00)2 J8.00 J该过程重力势能的减少量为该过程重力势能的减少量为EpmghOC1.09.8(68.9715.24)102 J8.25 J.(2)加速度加速度a 9.50 m/s2.(3)由牛顿第二定律得：由牛顿第二定律得：mgFfma即即Ffmgma0.30 N.答案答案(1)8.008.25(2)9.50(3)0.30
高中物理必修 第五章 实验五 探究功与物体速度变化的关系&实验六验证机械能守恒定律
