人教版 (新课标)必修2第五章 曲线运动3.实验：研究平抛运动…导学案及答案

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实验一：研究平抛运动
1、实验器材：附带金属小球的斜槽，木板及竖直固定支架，白纸，图钉，刻度尺，三角板，重锤，铅笔等。
2、实验步骤如下：
安装调整斜槽：用图钉把白纸钉在竖直板上，在木板的左上角固定斜槽，可用平衡法调整斜槽，即将小球轻放在斜槽平直部分的轨道上，如小球能在任意位置静止，就表明水平程度已调好。
调整木板：用悬挂在槽口的重锤线把木板调整到竖直方向，并使木板平面与小球下落的竖直面平行，然后把重锤线方向记录到钉在木板上的白纸上，固定木板，使在重复实验的过程中，木板与斜槽的相对位置保持不变。
确定坐标原点：把小球放在槽口处，用铅笔记下小球在槽口时球心在木板上的水平投影点O，O即为坐标原点。
描绘运动轨迹：用铅笔的笔尖轻轻地靠在木板的平面上，不断调整笔尖的位置，使从斜槽上滚下的小球正好碰到笔尖，然后就用铅笔在该处白纸上点上一个黑点，这就记下了小球球心所对应的位置。保证小球每次从槽上开始滚下的位置都相同，用同样的方法可找出小球平抛轨迹上的一系列位置。取下白纸，用平滑的曲线把这些位置连接起来即得小球做平抛运动的轨迹。
3、注意事项：
①、实验中必须保证通过斜槽末端点的切线水平，方木板必须处在竖直平面内，且与小球运动轨迹所在竖直平面平行，并使小球的运动靠近木板但不接触。
②、小球必须每次从斜槽上同一位置由静止开始滚下，为此，可在斜槽上某一位置固定一个挡板。
③、坐标原点（小球做平抛运动的起点）不是槽口的端点，而应是小球在槽口时球的球心在木板上的水平投影点，位于槽口末端上方r处（r为小球半径）。
④、应在斜槽上适当的位置释放小球，使它以适当的水平速度抛出，其轨迹由木板的左上角到达右下角，这样可以使实验误差较小。
、要选取距O点远些的点来计算小球的初速度，这样可减小误差。
4、数据处理
取下坐标纸，根据记下的一系列位置，用平滑曲线画出小球做平抛运动的轨迹，在轨迹上选取几个不同的点，测出它们的横坐标x和纵坐标y，利用公式求出小球做平抛运动的初速度,最后求初速度的平均值。
练习：
1、在“研究平抛运动”的实验中，应注意如下三点：
①在安装斜槽轨道时，应注意______________________；
②在多次从静止开始释放小球时，应注意____________________；
③在纸上记录下斜槽轨道的末端O点后，需建立以O点为原点的坐标系，这时首先利用___________画出过O点___________________。
2、在做“研究平抛物体的运动”这一实验时，下面哪些说法是正确的[ ]
A．安装弧形槽时，必须使槽的末端的切线方向保持水平
B．每次进行实验时，都要让小球从同一位置开始由静止释放
C．在实验过程中，小球与槽的摩擦不可避免，但这并不影响实验结果
D．为了得到实验结果，不要忘记用天平称出小球的质量
3、如图是研究小球的平抛运动时拍摄的闪光照片的一部分，其背景是边长为5厘米的小方格，重力加速度取g=10米/秒2。由此可知：
（1）闪光频率为____赫；
（2）小球抛出时的初速度大小为____米/秒；
（3）从抛出到C点，小球速度的改变最大为____米/秒。
4、在研究平抛物体运动的实验中,用一张印有小方格的纸记录轨迹,小方格的边长L=1.25厘米.若小球在平抛运动途中的几个位置如图中的a、b、c、d所示,则小球平抛的初速度的计算式为V0＝______(用l、g表示),其值是 .(取g=9.8米/秒2)
5、如图所示, 一个学生在做研究平抛物体运动的实验时, 用描点法在纸上画出了如图所示的一段曲线, 但是他只在纸上画出了初速度 的方向Ox, 而忘了记下斜槽轨道末端的位置. 请利用图中给出的曲线和Ox水平轴的方向, 测量出必要的数据, 计算出这个平抛运动的初速度.（在图中作出处理数据的辅助线，并标示要读出的数据物理量，并用此物理量表示出计算初速度的方法）
实验二：探究动能定理
实验原理与探究：验证
方案一：利用重力做功探究动能定理
1．实验器材与装置如图4－16。
2．注意事项：
(1)安装打点计时器时，必须要竖直架稳，使限位孔与纸带在同一竖直平面内，以减小重物下落时纸带受到的阻力．
(2)开始实验时，需保持提纸带的手不动，同时先接通电源，让打点计时器正常工作再放开纸带让重物下落，以保证第一个点是一个清晰的小点．
(3)挑选纸带时，应选择第一、第二点间的间距接近2mm的纸带．（请思考为什么？）
(4)因不需要知道动能和重力势能的具体数值，所以也就不需要测出物体的质量m．
3、数据处理：
1、如图，选取其中一段纸带，利用公式算出其中两点的瞬时速度V1和V2,并测出这两点间的距离S,验证重力做功mgS是否与动能变化量相等，
例1：
在上图中，BE间的距离SBE= ，打下点B、E时重物的瞬时速度VB= ，VE= ，假设重物质量为m，则由B到E重力做功 ，动能改变量为
，实验结论 。
方案二：
例3．某实验小组采用如图所示的装置探究“动能定理"，图中小车中可放置砝码，实验中，小车碰到制动装置时，钩码尚未到达地面，打点针时器工作频率为50 Hz。
(1)实验的部分步骤如下：
①在小车中放人砝码，把纸带穿过打点计时器，连在小车后端，用细线连接小车和钩码；
②将小车停在打点计时器附近，先＿＿＿＿＿＿＿，后＿＿＿＿＿＿，小车拖动纸带，打点计时器在纸带上打下一列点。
③改变钩码或小车中砝码的数量，更换纸带，重复②的操作．
（2）图是钩码质量为0.03kg，砝码质量为0.02kg时得到的一条纸带，在纸带上选择起始点O及A、B、C、D和E五个计数点，可获得各计数点到O的距离S及对应时刻小车的瞬时速度v，请将C点的测量结果填在表1中的相应位置。
（3）在小车的运动过程中，对于钩码、砝码和小车组成的系统，______________做正功，_____________做负功。
（4）实验小组根据实验数据绘出了图13中的图线（其中）。根据图线可获得的结论是_________________________________________________________________。
要验证“动能定理”还需测量的物理量是摩擦力和 __________。
物理必修2实验复习（二）
班别 学号 姓名 评价＿＿＿
实验三：验证机械能守恒定律
实验原理
用研究物体自由下落的运动来验证机械能守恒定律的实验原理是：忽略空气阻力，自由下落的物体在运动过程中机械能守恒，即动能的增加等于重力势能的减少。具体地说：
、若以重物下落的起始点O为基准，设重物的质量为m，测出物体自起始点O下落距离h时的速度v，则在误差允许范围内，由计算得出：，
、若以重物下落过程中的某一点A为基准，设重物的质量为m，测出物体对应于A点的速度vA ，再测出物体由A点下落△h后经过B点的速度vB，则在误差允许范围内，由计算得出：，
2、实验过程（略）
3．注意事项：
(1)安装打点计时器时，必须要竖直架稳，使限位孔与纸带在同一竖直平面内，以减小重物下落时纸带受到的阻力．
(2)开始实验时，需保持提纸带的手不动，同时先接通电源，让打点计时器正常工作再放开纸带让重物下落，以保证第一个点是一个清晰的小点．
(3)挑选纸带时，应选择第一、第二点间的间距接近2mm的纸带．
(4)因不需要知道动能和重力势能的具体数值，所以也就不需要测出物体的质量m．
例题分析：
例1 某同学为验证机械能守恒定律编排了如下实验步骤：
A. 用天平称出重物的质量；
B. 把纸带固定到重物上，并把纸带穿过打点计时器，提升到一定高度；
C. 拆掉导线，整理仪器；
D. 断开电源，调整纸带，重做两次；
E. 用秒表测出重物下落的时间；
F. 用毫米刻度尺测出计数点与起点的距离，记录数据，并计算出结果，得出结论；
G. 把打点计时器接到低压交流电源上；
H. 接通电源，释放纸带；
I. 把打点计时器接到低压直流电源上；
J. 把打点计时器固定到桌边的铁架台上。
上述实验步骤中错误的是 ，可有可无的是 ，其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是 。（均只需填步骤的代号）
例2，在“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用的电源的频率为50Hz，查得当地的重力加速度g=9.8m/s2，测得所用的重物的质量m=1.0kg。实验中得到一条点迹清晰的纸带，把第一个点记作O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点。如图·
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A
B
C
D
图1
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·
O
1所示，经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为62.99cm、70.18cm、77.76cm、85.73cm，根据以上数据，可知重物由O点运动到C点，重力势能的减少量等于 J，动能的增加量等于 J。（取三位有效数字）
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A
B
C
图2
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·
O
·
例4 在“验证机械能守恒定律”的实验中，选出一条纸带如图2所示，其中O点为起始点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通以50Hz交变电流，用毫米刻度尺测得OA=11.13cm, OB=17.69cm, OC=25.9cm。
(1)这三个数据中，不符合有效数字要求的是 ，应该写成 cm。
(2)在计数点A和B之间、B和C之间还各有一个点，重物的质量为mkg。根据以上数据可知，当打点计时器打到B点时，重物的重力势能比开始下落时减少了 J；这时它的动能为 J。（g取9.80m/s2）
练习：
1. 在“验证机械能守恒定律”的实验中，除天平、铁架台、夹子、纸带和重物外，还需要：（ ）
A. 秒表 B. 刻度尺 C. 学生电源 D. 打点计时器
2. 在“验证机械能守恒定律”的实验中，对于自由下落的重物，下列选择条件中可取的是：（ ）
A. 选用重物时，重的比轻的好
B. 选用重物时，体积小的比大的好
C. 重物所受重力应与它所受的空气阻力和纸带所受打点计时器的阻力平衡
D. 重物所受重力应远大于它所受的空气阻力和纸带所受打点计时器的阻力
3. 在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列叙述正确的是（ ）
A. 安装打点计时器时，两纸带限位孔应在同一竖直线上
B. 实验时，在松开纸带让重物下落的同时，应立即接通电源
C. 若纸带上开头打出的几点模糊不清，也可设法用后面清晰的点进行验证
D. 测量重物下落高度必须从起始点算起
4. 在“验证机械能守恒定律”的实验中，由于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阻力，这样会导致实验结果（ ）
A. ＞ B. ＜
C. = D. 以上均有可能
图5—63
5. 在“验证机械能守恒定律”的实验中，质量m＝1kg的物体自由下落，得到如图5—63所示的纸带，相邻计数点间的时间间隔为0.04s。那么从打点计时器打下起点O到打下B点的过程中，物体重力势能的减少量Ep＝_______J，此过程中物体动能的增加量Ek=______J。由此可得到的结论是：
。(g=9.8 m/s2，保留三位有效数字)
6. 在“验证机械能守恒定律”的实验中：
现有器材是：打点计时器、低压电源、纸带、带夹子的重物、秒表、刻度尺、天平、导线、铁架台。其中该实验不需要的器材是______。
实验时，松开纸带与闭合电源开关的合理顺序是______。
实验中，如以要从几条打上点的纸带中挑选第1、2两点间的距离接近 _____mm并且点迹清晰的纸带进行测量。
某学生在实验中器材安装正确，操作规范，所用交流电的频率为50Hz，但验证结果是重物增加的动能稍小于它减少的重力势能，其主要原因是_______ 。
7. 用打点计时器和重物在自由下落的情况下验证机械能守恒定律的实验中，电源频率为50 Hz，依次打出的点为0、1、2、3、4，则
（1）在图5—64两条纸带中应选取的纸带是________，因为______________。
图5—64
(a)
(b) (a)
(a)
（b）
（2）如从起点0到第3点之间来验证，必须测量和计算出的物理量为________，验证的表达式为______________。