高考物理一轮复习 实验六 验证机械能守恒定律课件1.ppt

实验六验证机械能守恒定律 实验目的 验证机械能守恒定律 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 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vn 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 实验过程 1 安装置 按图示将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 在打好点的纸带中挑选点迹清晰的一条纸带 在起点标上0 以后各点依次标上1 2 3 4 用刻度尺测出对应下落高度h1 h2 h3 h4 数据处理 1 求瞬时速度 由公式vn 可以计算出重物下落hn的高度时对应的瞬时速度vn 2 验证守恒 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mghab 成立 则验证了机械能守恒定律 方法三 采用图象法 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象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 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线上以减小摩擦阻力 2 重物应选用质量和密度较大 体积较小的物体以减小空气阻力的影响 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 4 纸带长度选用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 也只能用毫米刻度尺直接测量 而不能用hn 或hn gt2计算得到 6 本实验不必称出重物质量 热点一对实验数据处理和误差分析的考查 典例1 2016 北京高考 利用图甲装置做 验证机械能守恒定律 实验 导学号04450127 1 为验证机械能是否守恒 需要比较重物下落过程中任意两点间的 a 动能变化量与势能变化量b 速度变化量和势能变化量c 速度变化量和高度变化量 2 除带夹子的重物 纸带 铁架台 含铁夹 电磁打点计时器 导线及开关外 在下列器材中 还必须使用的两种器材是 a 交流电源b 刻度尺c 天平 含砝码 3 实验中 先接通电源 再释放重物 得到图乙所示的一条纸带 在纸带上选取三个连续打出的点a b c 测得它们到起始点o的距离分别为ha hb hc 已知当地重力加速度为g 打点计时器打点的周期为t 设重物的质量为m 从打o点到打b点的过程中 重物的重力势能变化量 ep 动能变化量 ek 4 大多数学生的实验结果显示 重力势能的减少量大于动能的增加量 原因是 a 利用公式v gt计算重物速度b 利用公式v 计算重物速度c 存在空气阻力和摩擦阻力的影响d 没有采用多次实验取平均值的方法 5 某同学想用下述方法研究机械能是否守恒 在纸带上选取多个计数点 测量它们到起始点o的距离h 计算对应计数点的重物速度v 描绘v2 h图象 并做如下判断 若图象是一条过原点的直线 则重物下落过程中机械能守恒 请你分析论证该同学的判断依据是否正确 解题指导 1 命题立意 本题意在考查验证机械能守恒定律的数据处理及误差分析 2 解题关键 某点瞬时速度的计算 匀变速直线运动中间时刻的速度等于这段时间内的平均速度 ep ek的原因 除重力做功以外还有空气阻力和摩擦阻力做负功 v2 h图象斜率的意义 若机械能守恒 图象斜率为2g 若机械能不守恒 图象斜率小于2g 规范解答 1 由机械能守恒定律可知 需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量大小是否相等 a正确 2 电磁打点计时器使用的是交流电源 选a 因为在计算重力势能变化量时 需要测量纸带上两点之间的距离 所以还需要刻度尺 选b 根据mgh mv2 0 可知不需要使用天平 3 重力势能改变量为 ep mghb 由于下落过程是匀加速直线运动 所以根据中间时刻的速度等于这段时间内的平均速度可得b点的速度为vb 所以动能变化量 ek 4 实验过程中存在空气阻力 纸带运动过程中存在摩擦阻力 c正确 5 该同学的判断依据不正确 在重物下落h的过程中 若阻力f恒定 根据mgh fh mv2 0 v2 2 g h可知 v2 h图象就是过原点的一条直线 要想通过v2 h图象的方法验证机械能是否守恒 还必须看图象的斜率是否接近2g 答案 1 a 2 a b 3 mghbm 2 4 c 5 该同学的判断依据不正确 理由见规范解答 强化训练 2017 天津高考 如图所示 打点计时器固定在铁架台上 使重物带动纸带从静止开始自由下落 利用此装置验证机械能守恒定律 1 对于该实验 下列操作中对减小实验误差有利的是 a 重物选用质量和密度较大的金属锤b 两限位孔在同一竖直面内上下对正c 精确测量出重物的质量d 用手托稳重物 接通电源后 撤手释放重物 2 某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50hz的交流电源上 按正确操作得到了一条完整的纸带 由于纸带较长 图中有部分未画出 如图所示 纸带上各点是打点计时器打出的计时点 其中o点为纸带上打出的第一个点 重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出 利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有 a oa ad和eg的长度b oc bc和cd的长度c bd cf和eg的长度d ac bd和eg的长度 解析 1 重物选用质量和密度较大的金属锤 减少空气阻力 以减小误差 故a正确 两限位孔在同一竖直面内上下对正 减小纸带和打点计时器之间的阻力 以减小误差 故b正确 验证机械能守恒定律的原理是 mgh 重物质量可以约去 无需精确测量出重物的质量 故c错误 用手拉稳纸带 而不是托住重物 接通电源后 松手释放纸带 故d错误 2 由eg的长度可求出打f点的速度v2 打o点的速度v1 0 但求不出of之间的距离h 故a错误 由bc和cd的长度可求出打c点的速度v2 打o点的速度v1 0 由oc之间的距离h 可以验证机械能守恒定律 故b正确 由bd和eg的长度可分别求出打c点的速度v1和打f点的速度v2 由cf之间的距离h 可以验证机械能守恒定律 故c正确 由ac bd和eg的长度可分别求出打b c f三点的速度 但bc cf bf之间的距离都无法求出 无法验证机械能守恒定律 故d错误 答案 1 a b 2 b c 反思归纳 数据处理的两种方法 1 计算法 通过计算重力势能的减少量与动能的增量是否相等验证机械能守恒定律时 注意重力加速度的取值和有效数字的保留 2 图象法 通过图象验证机械能是否守恒 要根据机械能守恒定律写出图象对应的函数表达式 弄清图象斜率的物理意义 如v2 h图象 v2 h图象 v2 2h图象 根据图象计算出重力加速度 计算结果与当地重力加速度比较 根据二者是否在误差允许的范围内相等判断机械能是否守恒 热点二对实验迁移应用的考查 典例2 2016 全国卷 某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究 实验装置如图甲所示 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 导学号04450128 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 图乙中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 选填 m 或 l 纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大 规范解答 1 实验中的操作步骤为首先向左推物块使弹簧压缩 并测量弹簧压缩量 在利用纸带打点之前 先把纸带向左拉直 为了使纸带上的点能记录物块的运动情况 应先接通打点计时器电源 再松手释放物块 所以实验操作步骤为 2 脱离弹簧后物块做匀速直线运动 则纸带m运动的末速度vm 10 2m s 1 29m s 纸带l运动的末速度vl 10 2m s 0 77m s 由动能定理可知 松手释放物块后 弹性势能完全转化为动能 所以物块的末动能越大 则弹簧被压缩后的弹性势能越大 则epm epl 答案 1 2 1 29m 强化训练 2018 太原模拟 在 探究弹性势能的表达式 的实验中 1 某同学用游标卡尺测量与弹簧相连的小球直径如图所示 则小球直径d cm 2 某同学找来一根弹簧套在光滑细杆上 细杆两端固定在竖直固定的挡板上 小球与弹簧相连 在弹簧的自然长度位置前 后两侧分别放置一激光光源与光敏电阻 如图甲所示 光敏电阻与某一自动记录仪相连 某时刻把小球拉离平衡位置 自然长度所处位置 后由静止释放 小球将在平衡位置的两侧做往复运动 该仪器 显示的光敏电阻值r随时间t的变化图线如图乙所示 则小球通过平衡位置时的速度为 用图中或题中所给的字母表示 3 若小球的质量为m 则小球在做往复运动的过程中 弹簧的最大弹性势能约为 用图中或题中所给的字母表示 解析 1 游标卡尺的固定刻度读数为7mm 可动刻度读数为0 05 10mm 0 50mm 则读数为7mm 0 50mm 7 50mm 0 750cm 2 根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度知 小球通过平衡位置的速度v 3 根据机械能守恒定律得 弹簧的最大弹性势能ep mv2 答案 1 0 750 2 3 反思归纳 弹簧系统机械能守恒的迁移应用 1 判断弹簧压缩量 可根据弹性势能转化的动能大小判断 2 计算弹性势能 通过计算物体动能的变化量 根据机械能守恒求出弹簧的弹性势能 3 求解弹簧的劲度系数 测出弹簧的形变量x 以及弹簧形变过程物体获得的动能 画出弹簧弹力随形变量x的变化图象 由图象与横轴围成的面积的意义求出劲度系数 热点三实验拓展与创新 典例3 2016 江苏高考 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 导学号04450129 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 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 3 如表所示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 创新方向分析 1 实验器材的变迁 实验器材由打点计时器和纸带换为光电门和遮光条 2 实验原理的变迁 由自由落体法变为竖直面内的圆周运动 3 实验数据处理的变迁 瞬时速度的计算由中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度变为瞬时速度的定义计算 规范解答 1 将钢球视为质点 所以钢球下落高度h应测量释放时的钢球球心到钢球在a点时的球心的距离 2 从图中读出遮光条宽度为1 50cm 1 49cm 1 51cm都算对 速度v 1 50m s 3 实验中若有空气阻力作用 会造成 ek小于 ep 所以该同学的观点是错误的 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 答案 1 b 2 1 50 1 49 1 51都算对 1 50 3 不同意 因为空气阻力会造成 ek小于 ep 但表中的 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 强化训练 2018 商丘模拟 小明同学利用如图所示的装置来验证机械能守恒定律 a为装有挡光片的钩码 总质量为m 挡光片的挡光宽度为b 轻绳一端与a相连 另一端跨过光滑轻质定滑轮与质量为m m m 的重物b相连 他的做法是 先用力拉住b 保持a b静止 测出a的挡光片上端 到光电门的距离h 然后由静止释