高考物理一轮复习 实验 验证机械能守恒定律课件.ppt

物理课标版 第6讲实验 验证机械能守恒定律 基础梳理 实验目的 利用自由落体运动验证只有重力作用下的物体机械能守恒 实验原理 1 在只有重力做功的自由落体运动中 物体的重力势能转化为动能 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mv2 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 xn 1 由公式vn 或vn 算出 如图所示 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 2 计算打第n个点速度的方法 测出第n个点与相邻前后点间的距离xn和 实验步骤 1 安装置 按图将检查 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3 5次实验 3 选纸带 分两种情况说明 1 用m mghn验证时 应选点迹清晰 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2mm 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 用m m mg h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2mm就无关紧要了 所以只要后面的点迹清晰就可选用 数据处理 方法一 利用起始点和第n点计算 代入ghn和 如果在实验误差允许的条件下 ghn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ghab 2 算出 的值 3 在实验误差允许的条件下 若ghab 则验证了机械能守恒定律 方法三 图像法 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v2为纵轴 以h为横轴 根据实验数据绘出v2 h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 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种阻力 空气阻力 打点计时器与纸带间的摩擦阻力 做功 故动能的增加量 ek稍小于重力势能的减少量 ep 即 ek ep 这属于系统误差 改进的办法是调整器材的安装 尽可能地减小阻力 2 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0点量起 一次将各打点对应的下落高度测量完 或者多次测量取平均值来减小误差 4 纸带长度应选用60cm左右为宜 应选用点迹清晰的纸带进行测量 5 速度不能用vn gtn或vn 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hn g或hn 计算得到 注意事项 1 安装打点计时器时要竖直架稳 使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力 2 应选用质量大 体积小 密度大的重物 3 应先接通电源 让打点计时器正常工作后 再松开纸带让重物下落 考点一实验原理与操作典例1 2016课标 22 6分 某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究 实验装置如图 a 所示 轻弹簧放置在光滑水平桌面上 弹簧左端固定 右端与一物块接触而不连接 纸带穿过打点计时器并与物块连接 向左推物块使弹簧压缩一段距离 由静止释放物块 通过测量和计算 可求得弹簧被压缩后的弹性势能 图 a 1 实验中涉及下列操作步骤 把纸带向左拉直 松手释放物块 接通打点计时器电源 向左推物块使弹簧压缩 并测量弹簧压缩量上述步骤正确的操作顺序是 填入代表步骤的序号 2 图 b 中m和l纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后所得到的实际打点结果 打点计时器所用交流电的频率为50hz 由m纸带所给的数据 可求出在该纸带对应的实验中物块脱离弹簧时的速度为m s 比较两纸带可知 填 m 或 l 纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大 图 b 答案 1 2 1 29m解析 1 实验步骤中 一定要注意接通打点计时器电源之后再松手释放物块 若次序搞反 可能造成物块已离开桌面但打点计时器还没有开始工作 2 从纸带上看 最后两个数据2 58cm 2 57cm相差不大 表示物块已经脱离弹簧 所以速度v 10 2m s 1 29m s 同理可计算出打下l纸带时物块脱离弹簧的速度要小一些 方法指导通过打点计时器打下的纸带可分析物体的运动过程 本题中 从前面几个数据可以看出相等时间内的位移逐渐增大 表明此阶段物块在弹簧弹力作用下加速运动 从后面两个数据可以看出相等时间内的位移几乎不变 表明此阶段物块已经脱离了弹簧 近似做匀速直线运动 2017山东青岛 动能定理 和 机械能守恒定律 是物理学中很重要的两个力学方面的物理规律 某同学设计了如图所示的实验装置 一个电磁铁吸住一个小钢球 当电磁铁断电后 小钢球将由静止开始向下加速运动 小钢球经过光电门时 计时装置将记录小钢球通过光电门所用的时间t 用直尺测出小钢球由静止开始下落至光电门时的高度h 1 该同学在验证动能定理的过程中 忽略了空气阻力的影响 实验中是否需要测量小钢球的质量 填 需要 或 不需要 2 如果用这套装置验证机械能守恒定律 下面的做法能提高实验精确度的是 a 在保证其他条件不变的情况下 减小小球的直径b 在保证其他条件不变的情况下 增大小球的直径c 在保证其他条件不变的情况下 增大小球的质量d 在保证其他条件不变的情况下 减小小球的质量 答案 1 不需要 2 ac解析 1 由动能定理有mgh mv2 化简得gh v2 故不需要测量小钢球的质量 2 用小钢球通过光电门的平均速度来表示小钢球通过光电门的瞬时速度 有v d为小钢球的直径 然后验证mgh mv2 即gh v2是否成立 由此验证机械能是否守恒 则小钢球的直径越小 v越精确 故a正确 b错误 由于实际过程中存在阻力 故mgh fh mv2 即gh v2 所以质量越大 这一项越小 精确度越高 故c正确 d错误 考点二数据处理和误差分析典例2 2016课标 22 5分 某同学用图 a 所示的实验装置验证机械能守恒定律 其中打点计时器的电源为交流电源 可以使用的频率有20hz 30hz和40hz 打出纸带的一部分如图 b 所示 图 a 该同学在实验中没有记录交流电的频率f 需要用实验数据和其他题给条件进行推算 1 若从打出的纸带可判定重物匀加速下落 利用f和图 b 中给出的物理量可以写出 在打点计时器打出b点时 重物下落的速度大小为 打出c点时重物下落的速度大小为 重物下落的加速度大小为 2 已测得s1 8 89cm s2 9 50cm s3 10 10cm 当地重力加速度大小为9 80m s2 实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1 由此推算出f为hz 图 b 答案 1 s1 s2 f s2 s3 f s3 s1 f2 2 40解析 1 匀变速直线运动中 某一段位移的平均速度等于中间时刻的瞬时速度 vb s1 s2 f 同理vc s2 s3 f 加速度a s3 s1 f2 2 由牛顿第二定律可知 mg 0 01mg maa 0 99g 又由 1 问知 a 联立得f 40hz 方法指导本题要求推算打点计时器所用电源的频率 问题新颖 但应注意到加速度表达式中 加速度与频率的相关性 只要知道加速度就可求出频率 由给出的受力情况 根据牛顿第二定律可求出加速度 再代入第 1 问中加速度的表达式求出频率 2016福建毕业班质量检测 22 某课外活动小组利用小球竖直上抛运动验证机械能守恒定律 如图甲 弹射装置将小球竖直向上弹出 先后通过光电门a b 光电计时器测出小球上升过程中通过a b的时间分别为 ta tb 用刻度尺测出光电门a b间的距离为h 用螺旋测微器测量小球的直径d 某次测量结果如图乙 其读数d mm 当地的重力加速度为g 在误差范围内 若小球上升过程中机械能守恒 则题中给出的物理量d ta tb g h之间应满足的关系式为 解析螺旋测微器读数为12 50mm 48 7 0 01mm 12 987mm 由机械能守恒定律有mgh m m 又va vb 可得 2 2 2gh 答案12 987 12985 12 988 2 2 2gh 考点三实验改进与实验创新典例3 2016江苏单科 11 10分 某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律 一根细线系住钢球 悬挂在铁架台上 钢球静止于a点 光电门固定在a的正下方 在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条 将钢球拉至不同位置由静止释放 遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出 取v 作为钢球经过a点时的速度 记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t 计算并比较钢球在释放点和a点之间的势能变化大小 ep与动能变化大小 ek 就能验证机械能是否守恒 1 用 ep mgh计算钢球重力势能变化的大小 式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到之间的竖直距离 a 钢球在a点时的顶端b 钢球在a点时的球心c 钢球在a点时的底端 图甲 2 用 ek mv2计算钢球动能变化的大小 用刻度尺测量遮光条宽度 示数如图乙所示 其读数为cm 某次测量中 计时器的示数为0 0100s 则钢球的速度为v m s 图乙 3 下表为该同学的实验结果 他发现表中的 ep与 ek之间存在差异 认为这是由于空气阻力造成的 你是否同意他的观点 请说明理由 4 请你提出一条减小上述差异的改进建议 答案 1 b 2 1 50 1 49 1 51都算对 1 50 1 49 1 51都算对 3 不同意 因为空气阻力会造成 ek小于 ep 但表中 ek大于 ep 4 分别测出光电门和球心到悬点的长度l和l 计算 ek时 将v折算成钢 球的速度v v 解析 1 要考虑钢球重力势能的改变量大小 需要测量钢球球心下降的高度h 因此要测量钢球在释放点和a点时球心之间的竖直距离 选项b正确 2 刻度尺的读数为1 50cm 钢球的速度v m s 1 50m s 3 由动能定理可知 mgh wf ek 即 ep wf ek ep ek 所以空气阻力会造成 ep ek 但表中为 ek ep 因此不同意他的观点 4 钢球球心和遮光条都绕悬点做圆周运动 但运动半径不同 因此分别测出光电门和球心到悬点的长度l和l 遮光条在光电门处的速度v 则钢球的速度v l 可以减小表中差异 方法指导 1 钢球高度的改变应为钢球球心间的高度差 因此应测球心间的竖直距离 3 因存在空气阻力 因此重力势能的改变量应大于动能的改变量 4 不同半径 同一圆心的圆周运动 其线速度不同 故应将遮光条在光电门处的速度折算成钢球球心处的速度 2016湖北武汉武昌调研 22 实验小组用细线做了如下实验 请完成填空 将细线一端固定 另一端系在弹簧测力计挂钩上 水平拉细线 缓慢增大拉力 当测力计示数如图甲时 细线刚好拉断 该细线能承受的最大拉力为n 甲用螺旋测微器测量一金属球的直径 读数如图乙 则该金属球直径为m 用完全相同的细线与该小球做成一个摆 细线上端固定在o点 如图丙 测出线长 再加上小球的半径 得到悬点o到小球球心的距离为1 0000m 乙 丙 在悬点o的正下方a点钉上一个光滑的钉子 再将小球拉起至细线水平且绷直 由静止释放小球 摆至竖直时 细线碰到钉子 为使细线不断裂 a与o的距离应满足的条件是 取重力加速度g 9