2012版物理一轮精品复习学案：实验6 验证机械能守恒定律(必修2).doc

实验六 验证机械能守恒定律【考纲知识梳理】一、实验目的验证机械能守恒定律二、实验原理 1.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.若物体某时刻瞬时速度为v，下落高度为h，则重力势能的减少量为mgh，动能的增加量为，看它们在实验误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. 2.计算打第n个点时速度的方法：如图所示,由公式可得第n个点的速度三、实验器材 铁架台(含铁夹)，打点计时器，学生电源，纸带，复写纸，导线，毫米刻度尺，重物(带纸带夹). 【要点名师透析】 一、实验步骤 1.仪器安装：按图示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，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，让重物带着纸带自由下落.更换纸带重复做35次实验. 3.选纸带：分两种情况说明 (1)如果根据验证时，应选点迹清晰，打点成一条直线，且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带.若1、2两点间的距离大于2 mm，这是由于先释放纸带，后接通电源造成的.这样，第1个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选. (2)如果根据验证时，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，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2 mm就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用.【例1】(2010海南高考)利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图所示：(1)实验步骤：将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，将导轨调至水平；用游标卡尺测量挡光条的宽度l，结果如图所示，由此读出l=_mm；由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s=_cm；将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间t1和t2；用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m.(2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式：滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1=_和v2=_.当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1=_和Ek2=_.在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少Ep=_(重力加速度为g).(3)如果Ep=_，则可认为验证了机械能守恒定律.【答案】(1)9.3060.00(答案在59.9660.04之间的，也给分)(3)Ek2-Ek1【详解】由于挡光条宽度很小，因此将挡光条通过光电门时的平均速度当做瞬时速度，挡光条的宽度l可用游标卡尺测量，挡光时间t可从数字计时器读出，因此，滑块过光电门的瞬时速度为，由于质量事先已用天平测出，所以，滑块的动能就是已知量了.测出动能的增加值，测出重力势能的减少值，在误差允许范围内相等，就验证了机械能守恒定律.二、数据处理 1. 方法一：利用起始点和第n点计算.代入mghn和如果在实验误差允许的条件下，mghn和 相等，则验证了机械能守恒定律. 方法二：任取两点计算 (1)任取两点A、B测出hAB，算出mghAB. (2)算出的值. (3)在实验误差允许的条件下，若成立，则验证了机械能守恒定律. 方法三：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h，并计算各点速度的平方v2，然后以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出图线.若在误差允许的范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则验证了机械能守恒定律.2.实验注意事项 （1）打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，以减小摩擦阻力. （2）应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小. （3）实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，待接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带. （4）测下落高度时，要从第一个打点测起，并且各点对应的下落高度要一次测量完. （5）如果不测出物体质量时，只需验证也可以验证机械能守恒定律. （6）速度不能用vn=gtn或计算，因为只要认为加速度为g，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vn=gtn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h,也只能用刻度尺直接测量，而不能用计算得到.3、误差分析： （1）本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服阻力做功,故动能的增加量一定略小于重力势能的减少量,这是不可避免的,属于系统误差,改进的方法是调整器材的安装,尽可能地减少阻力. （2）本实验的另一误差来源于长度的测量,属于偶然误差.减小误差的方法是测量物体的下落距离时，所选的距离尽可能大一些，或者多次测量取平均值.【例2】(1)在做“验证机械能守恒定律”的实验时，实验小组A不慎将一条选择好的纸带的前面一部分损坏了,剩下的一部分纸带上各点间的距离如图所示的数值，已知打点计时器的周期为T =0.02s,重力加速度g =9.8 m/s2;重锤的质量为m,已知S1=0.98cm, S2=1.42cm, S3=1.78cm,则记录B点时重锤的动能EKB= J(写计算式字母表示),记录C点时重锤的动能EKC=0.32m J;重锤从B点到C点重力势能变化量是 J,动能变化量是 J.从而可以得出结论： .（2）在验证机械能守恒定律的实验中自由落下的重锤质量要大一些，这是为了减少 对实验的影响. 实验中 测定重锤的质量( 填“要”或“不要” ).实验小组C在验证机械能守恒定律的实验中发现,重锤减小的重力势能总是大于重锤动能的增加,其原因主要是因为在重锤下落的过程中存在阻力作用,因此想到可以通过该实验装置测阻力的大小. 根据已知当地重力加速度公认的较准确的值为g, 电源的频率为f, 又测量出物理量 , .他（她）们用这些物理量求出了重锤在下落的过程中受到的平均阻力大小F （用字母表示）. 答案： 0.142m 0.14m 在实验误差范围内,只有重力做功时,物体的机械能守恒.空气阻力和打点计时器器对纸带的阻力不要相邻的两点间的位移S1 、S2 、S3、S4, 重锤的质量m , 【感悟高考真题】1.（2011海南物理T14）现要通过实验验证机械能守恒定律。实验装置如图1所示：水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到导轨底端C点的距离，h表示A与C的高度差，b表示遮光片的宽度，s表示A ，B 两点的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度。用g表示重力加速度。完成下列填空和作图；（1）若将滑块自A点由静止释放，则在滑块从A运动至B的过程中，滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为_。动能的增加量可表示为_。若在运动过程中机械能守恒，与s的关系式为= _.（2）多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点（A点）下滑，测量相应的s与t值，结果如下表所示：以s为横坐标，为纵坐标，在答题卡上对应图2位置的坐标纸中描出第1和第5个数据点；根据5个数据点作直线，求得该直线的斜率k=_(保留3位有效数字).由测得的h、d、b、M和m数值可以计算出直线的斜率，将k和进行比较，若其差值在试验允许的范围内，则可认为此试验验证了机械能守恒定律。【答案】：（1），（2）如图所示，2.43【详解】（1）滑块和遮光片的重力势能减少，砝码的重力势能增加，所以系统的重力势能减少的量为；滑块运动到光电门时的速度为，所以系统的动能增加量为。若机械能守恒，则有，解得。（2）如图所示。由图象可求得斜率2.（2010安徽卷）21（6分）利用图示装置进行验证机械能守恒定律的试验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度和下落高度。某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案。a. 用刻度尺测出物体下落的高度，并测出下落时间,通过计算出瞬时速度.b. 用刻度尺测出物体下落的高度，并通过计算出瞬时速度.c. 根据做匀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，并通过计算出高度.d. 用刻度尺测出物体下落的高度，根据做匀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。以上方案中只有一种正确，正确的是 。（填入相应的字母）答案：d3.（2010四川卷）22.（5分）（2）有4条用打点计时器（所用交流电频率为50Hz）打出的纸带A、B、C、D，其中一条是做“验证机械能守恒定律”实验时打出的。为找出该纸带，某同学在每条纸带上取了点迹清晰的、连续的4个点，用刻度尺测出相邻两个点间距离依次为S1、S2、S3。请你根据下列S1、S2、S3的测量结果确定该纸带为 。（已知当地的重力加速度为9.791m/s2）A.61.0mm 65.8mm 70.7mmB. 41.2mm 45.1mm 53.0mmC.49.6mm 53.5mm 57.3mmD. 60.5mm 61.0mm 60.6mm答案：C解析：验证机械能守恒采用重锤的自由落体运动实现，所以相邻的0.02s内的位移增加量为：，答案为C。【考点模拟演练】1、某同学在应用打点计时器做验证机械能守恒定律实验中，获取一根纸带如图a所示，但测量发现0、1两点距离远大于2mm,且0、1和1、2间有点漏打或没有显示出来，而其他所有打点都是清晰完整的，现在该同学用刻度尺分别量出2、3、4、5、6、7六个点到0点的长度hi（i=2347），再分别计算得到3、4、5、6四个点的速度vi和vi2（i= 3456），已知打点计时器打点周期为T（1）（4分）该同学求6号点速度的计算式是：v6= （2）（6分）然后该同学将计算得到的四组（hi ，vi2 ） 数据在v2- h坐标系中找到对应的坐标点，将四个点连接起来得到如图b所示的直线，请你回答：接下来他是如何判断重锤下落过程机械能守恒的？答： .【答案】（1） （4分）（2） 根据机械能守恒定律，从0点到任意i点有 得到：， 关系是一条直线，斜率为2g，所以只要在直线上取相对较远两点，计算出斜率，与2g比较，在实验误差范围内相等即可。（6分）2、某同学在用落体法验证机械能守恒定律时，进行了以下步骤：a把电磁打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器接在低压交流电源上；b将连有重物的纸带穿过打点计时器的限位孔，提稳纸带并将重物靠近打点计时器；c释放纸带，然后接通电源开关，打出一条纸带；d更换纸带，重复b、c步骤，选出点迹清晰符合要求的纸带；e用公式求出速度，验证机械能是否守恒. 在以上的操作中，你认为存在错误的步骤是 （只填步骤前序号）.【答案】 c e 3右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，还需要的器材有_(填入正确选项前的字母)A游标卡尺B秒表C012 V的直流电源 D012 V的交流电源(2)实验中误差产生的原因有_(写出两个原因)【答案】(1)D(2)纸带与打点计时器之间有摩擦，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，选取始末两点距离过近，交流电频率不稳定【详解】(1)不是用游标卡尺测长度，而是用米尺测量长度，用D项交流电源供打点计时器使用(2)纸带与打点计时器之间有摩擦，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，选取始末两点距离过近，交流电频率不稳定4(2011安徽池州)在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，电源的频率为50 Hz，依次打出的点为0,1,2,3,4，n.则：(1)如用第2点到第6点之间的纸带来验证，必须直接测量的物理量为_、_、_，必须计算出的物理量为_、_，验证的表达式为_(2)下列实验步骤操作合理的顺序排列是_(填写步骤前面的字母)A将打点计时器竖直安装在铁架台上B接通电源，再松开纸带，让重物自由下落C取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验D将重物固定在纸带的一端，让纸带穿过打点计时器，用手提着纸带E选择一条纸带，用刻度尺测出物体下落的高度h1，h2，h3，hn，计算出对应的瞬时速度v1，v2，v3，vnF分别算出mv和mghn，在实验误差范围内看是否相等【答案】(1)第2点到第6点之间的距离h26第1点到第3点之间的距离h13第5点到第7点之间的距离h57第2点的瞬时速度v2第6点的瞬时速度v6mgh26mvmv(2)ADBCEF5(2011广州模拟)“验证机械能守恒定律”的实验可以采用如下图所示的甲或乙方案来进行(1)比较这两种方案，_(选填“甲”或“乙”)方案好些，理由是_(2)如图丙是该实验中得到的一条纸带，测得每两个计数点间的距离如图中所示，已知每两个计数点之间的时间间隔T0.1 s物体运动的加速度a_；该纸带是采用_(选填“甲”或