高考物理热点实验解析——验证机械能守恒定律.doc

VCM仿真实验 高考物理热点实验解析验证机械能守恒定律高考物理热点实验解析验证机械能守恒定律VCM仿真实验验证机械能守恒定律【基础知识精讲】1.实验目的学会用打点计时器验证机械能守恒定律的实验方法和技能。2.实验原理在物体自由下落的过程中，只有重力对物体做功，遵守机械能守恒定律，即重力势能的减少量等于动能的增加量。利用打点计时器在纸带上记录下物体自由下落的高度h，计算出即时速度，便可验证物体重力势能的减少量Ep=mgh与物体的动能增加量Ek=是否相等，即验证ghn是否等于。3.实验注意事项（1）安装打点计时器时，必须使穿纸带的两个限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。（2）接通电源前，穿过打点计时器的纸带应平展不卷曲，提纸带的手必须拿稳纸带，并使纸带保持竖直，从而不致人为地增大摩擦阻力，导致机械能损耗。（3）实验时，必须先接通电源，让打点计时器工作正常后才能松开纸带让重锤下落，从而使纸带下落的初速度为零，并且纸带上打出的第一个点是清晰的一个小点。（4）选用纸带应尽量挑选第1、2两点间的距离接近2mm的纸带，以保让打第一个点时纸带的速度为零。（5）测量下落高度时，都必须从起点算起，不能搞错，选取的各个计数点要离起始点适当远一些，以减小测量高度h值的相对误差。（6）因验证的是gh是否等于，不需要知道动能的具体数值，故无需测量重锤的质量m。4.实验误差由于重物和纸带在下落过程中要克服阻力(主要是打点纸带所受的阻力)做功，所以势能的减小量Ep稍大于动能的增加量Ek。【真题再现】以下试题均来自VCM仿真实验配套试题1.(2008年全国卷)如图所示，两个质量各为m1和m2的小物块A和B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1m2，现要利用此装置验证机械能守恒定律。（1）若选定物块A从静止开始下落的过程中进行测量，则需要测量的物理量有_。物块的质量m1、m2；物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间；物块B下落的距离及下落这段距离所用的时间；绳子的长度。（2）为提高实验结果的准确程度，某小组同学对此实验提出以下建议：绳的质量要轻；在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好；尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃；两个物块的质量之差要尽可能小。以上建议中确实对提高准确程度有作用的是_。（3）写出一条上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议：_ _。答案：（1）或解析：通过连结在一起的A、B两物体验证机械能守恒定律，即验证系统的势能变化与动能变化是否相等，A、B连结在一起，A下降的距离一定等于B上升的距离；A、B的速度大小总是相等的，故不需要测量绳子的长度和B上升的距离及时间。（2）。解析：如果绳子质量不能忽略，则A、B组成的系统势能将有一部分转化为绳子的动能，从而为验证机械能守恒定律带来误差；若物块摇摆，则两物体的速度有差别，为计算系统的动能带来误差；绳子长度和两个物块质量差应适当。（3）对同一高度进行多次测量取平均值；或选取受力后相对伸长量尽量小的绳；（补充：尽量减小滑轮的质量、对滑轮转动轴进行润滑、选择质量相对较大的物块A、B）解析：多次取平均值可减少测量误差，绳子伸长量尽量小，可减少测量的高度的准确度。实验过程中，滑轮也会转动，其能量同样来源于A、B组成的系统，故应减小滑轮的质量。2.(2008年江苏卷)某同学利用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。弧形轨道末端水平，离地面的高度为H。将钢球从轨道的不同高度h处静止释放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s。（1）若轨道完全光滑，s2与h的理论关系应满足s2_ (用H、h表示)。（2）该同学经实验测量得到一组数据，如下表所示：h(101m)2.003.004.005.006.00s2 (1012)2.623.895.206.537.78请在坐标纸上作出s2-h关系图。（3）对比实验结果与理论计算得到的s2-h关系图线(图中已画出)，自同一高度静止释放的钢球，水平抛出的速率_(填“小于”或“大于”)理论值。（4）从s2-h关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差十分显著，你认为造成上述偏差的可能原因是_。答案：（1）4Hh（2）见图（3）小于 （4）摩擦，转动（回答任一即可）解析：（1）根据机械能守恒，可得离开轨道时速度为，由平抛运动知识可求得时间为，可得。（2）依次描点，连线，注意不要画成折线。（3）从图中看，同一h下的s2值，理论值明显大于实际值，而在同一高度H下的平抛运动水平射程由水平速率决定，可见实际水平速率小于理论速率。（4）由于客观上，轨道与小球间存在摩擦，机械能减小，因此会导致实际值比理论值小。小球的转动也需要能量维持，而机械能守恒中没有考虑重力势能转化成转动能的这一部分，也会导致实际速率明显小于“理论”速率（这一点，可能不少同学会考虑不到）。【重点试题解析】1.在验证机械能守恒定律的实验中，有同学按以下步骤进行实验操作：A.用天平称出重锤和夹子的质量；B.固定好打点计时器，将连着重锤的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器；C.松开纸带，接通电源，开始打点.并如此重复多次，以得到几条打点纸带；D.取下纸带，挑选点迹清晰的纸带，记下起始点O，在距离O点较近处选择几个连续计数点(或计时点)，并计算出各点的速度值；E.测出各点到O点的距离，即得到重锤下落高度；F.计算出mghn和 m2n/2，看两者是否相等。在以上步骤中，不必要的步骤是；有错误或不妥的步骤是(填写代表字母)；更正情况是， ， ， ， 。答案：A；BCDFB中“让手尽量靠近”应改为“让重锤尽量靠近打点计时器”C中应先接通电源，后松开纸带D中应将“距离O点较近处”改为“距离O点较远处” F中应改为“ghn和2n/2”2.在利用重锤自由下落“验证机械能守恒定律”的实验中，在打出纸带并测量出第n点到第1点的距离后，用公式n=ngT(T为打点时间间隔)来计算打第n点时重锤的速度，然后计算重锤动能的增量Ek和重锤重力势能的减少量Ep。计算时经常出现EkEp的结果，试分析其中的原因。答案：本题可从如下两方面进行分析：(1)由于重锤和纸带受到阻力，它们下落的实际加速度a将小于重力加速度，而利用重力加速度g来计算速度=ngT，将使得值偏大。(2)在先接通电源使打点计时器工作，再让纸带从静止释放的步骤中，常常容易造成纸带上记录下来的最初两点之间的时间间隔小于0.02s，计算中仍按0.02s计算，也将使得速度值=ngT偏大。3.某同学在做“验证机械能守恒定律”的实验时，不慎将一条选择好的纸带的前面部分损坏了，剩下的一条纸带上各点间的距离，他测出并标在纸带上，如下图所示。已知打点计时器的周期是0.02s，重力加速度为9.8m/s2。利用纸带说明重锤(质量为mkg)通过对应于2、5两点过程中机械能守恒。说明为什么得到的结果是重锤重力势能的减小量Ep稍大于重锤动能的增加量Ek？答案：（1）重锤在对应2、5两点时的速度分别为 则重锤在2、5两点对应过程的动能增加量为Ek=Ek2-Ek1= 1/2m22-1/2 m12=1.004mJ，而重锤在该过程中下落的距离为h=(3.18+3.56+3.94)10-2m=10.6810