2019届高考物理一轮复习第5章机械能及其守恒定律实验6验证机械能守恒定律学案新人教版.docx

实验六验证机械能守恒定律(对应学生用书第97页)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速度的测量：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间的平均速度vt2t.计算打第n个点瞬时速度的方法是：测出第n个点的相邻前后两段相等时间T内下落的距离xn和xn1，由公式vn或vn算出，如图实61所示图实61三、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)四、实验步骤1仪器安装按图实62所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路图实622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mv2mgh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mvmvmgh验证时，由于重力势能的变化是绝对的，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五、数据处理1求瞬时速度由公式vn可以计算出重物下落h1、h2、h3的高度时对应的瞬时速度v1、v2、v3、2验证守恒方法一：利用起始点和第n点计算，代入ghn和v，如果在实验误差允许的范围内，ghnv，则说明机械能守恒定律是正确的方法二：任取两点A、B测出hAB，算出ghAB和的值，如果在实验误差允许的范围内，ghABvv，则说明机械能守恒定律是正确的方法三：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v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2h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六、误差分析1系统误差本实验中因重锤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EkEk，那么造成这一现象的主要原因是_.(4)在本实验中，若某同学作出了v2h图象，如图丙，h为从起点量起的长度，则据此得到当地的重力加速度g_m/s2. 【导学号：84370248】解析(1)v5 m/s2.4 m/s.(2)Ek(m1m2)v00.58 JEpm2gh5m1gh50.60 J.(3)因空气阻力、纸带与限位孔间的阻力、滑轮轴间阻力做负功，使系统重力势能的减少量大于系统动能的增加量(4)由(m2m1)gh(m1m2)v2知即图线的斜率k解得g9.7 m/s2.答案(1)2.4(2)0.580.60(3)见解析(4)9.7某同学用如图甲所示装置验证机械能守恒定律时，所用交流电源的频率为50 Hz，得到如图乙所示的纸带选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起点O的距离为s019.00 cm，点A、C间的距离为s18.36 cm，点C、E间的距离为s29.88 cm，g取9.8 m/s2，测得重物的质量为m1 kg.甲(1)下列做法正确的有_A图3中两限位孔必须在同一竖直线上B实验前，手应提住纸带上端，使纸带竖直C实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源D数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置(2)选取O、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是_J，打下C点时重物的速度大小是_m/s.(结果保留三位有效数字)乙(3)根据纸带算出打下各点时重物的速度v，量出下落距离s，则以为纵坐标、以s为横坐标画出的图象应是下面的_(4)重物减少的重力势能总是略大于增加的动能，产生这一现象的原因是_(写出一条即可)解析(1)图甲中两限位孔必须在同一竖直线上，实验前手应提住纸带上端，并使纸带竖直，这是为了减小打点计时器与纸带之间的摩擦，选项A、B正确；实验时，应先接通打点计时器的电源再放开纸带，选项C错误；数据处理时，应选择纸带上距离较远的两点作为初、末位置，以减小长度的测量误差，选项D错误(2)重物减少的重力势能为Epmg(s0s1)2.68 J，由于重物下落时做匀变速运动，根据匀变速直线运动任意时间段中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可知，打下C点时重物的速度为vC2.28 m/s.(3)物体自由下落过程中机械能守恒，可以得出mgsmv2，即gsv2，所以s图线应是一条过原点的倾斜直线，选项C正确(4)在实验过程中，纸带与打点计时器之间的摩擦阻力、空气阻力是存在的，克服阻力做功损失了部分机械能，因此实验中重物减小的重力势能总是略大于增加的动能答案(1)AB(2)2.682.28 (3)C(4)重物受到空气阻力(或纸带与打点计时器之间存在阻力)考点三| 实验拓展与创新视角1：实验器材、装置的改进视角2：速度测量方法的改进由光电门计算速度测量纸带上各点速度视角3：实验方案的改进例如：利用竖直上抛运动的闪光照片验证机械能守恒定律创新点1利用平抛运动验证机械能守恒定律1(2018德州模拟)如图实65所示的装置可用来验证机械能守恒定律摆锤A拴在长为L的轻绳一端，轻绳另一端固定在O点，在A上放一个质量很小的小铁块，现将摆锤拉起，使绳与竖直方向成角，由静止开始释放摆锤，当其到达最低位置时，受到竖直挡板P的阻挡而停止运动，之后铁块将飞离摆锤做平抛运动图实65(1)为了验证摆锤在运动过程中机械能守恒，必须求出摆锤在最低点的速度为了求出这一速度，还应测量的物理量有_(2)用测得的物理量表示摆锤在最低点的速度v_.(3)用已知的和测得的物理量表示摆锤在运动过程中机械能守恒的关系式为_解析设摆锤质量为m，重力对摆锤做功为WmgL(1cos )，摆锤在最低点的速度可以用平抛运动的知识求解，hgt2，svt，解得vs，为了求出摆锤在最低点的速度，实验中还应测量的物理量有：摆锤遇到挡板之后铁块的水平位移s和竖直下落高度h.由mgL(1cos )mv2可知，表示摆锤在运动过程中机械能守恒的关系式为L(1cos )答案(1)摆锤遇到挡板之后铁块的水平位移s和竖直下落高度h(2)s(3)L(1cos )创新点2利用竖直上抛运动验证机械能守恒定律2某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律，频闪仪每隔0.05 s闪光一次，如图实66所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表(当地重力加速度取9.8 m/s2，小球质量m0.2 kg，结果保留3位有效数字)图实66时刻t2t3t4t5速度(m/s)4.994.483.98(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5_m/s；(2)从t2到t5时间内，重力势能增量Ep_J，动能减少量Ek_J；(3)在误差允许的范围内，若Ep与Ek近似相等，即可验证了机械能守恒定律由上述计算得Ep_Ek(选填“”“”或“”)，造成这种结果的主要原因是_.解析(1)v5102 m/s3.48 m/s.(2)重力势能的增量Epmgh，代入数据可得Ep1.24 J，动能减少量为Ekmvmv，代入数据可得Ek1.27 J.(3)由计算可得EpEk，主要是由于存在空气阻力答案(1)3.48(2)1.241.27(3)存在空气阻力创新点3利用光电计时器验证机械能守恒定律3. 某同学用如图实67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图实67(1)用Epmgh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Ekmv2计算钢球动能变化的大小用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图实68所示，其读数为_cm.某次测量中，计时器的示数为0.010 0 s则钢球的速度为v_ m/s.图实68(3)下表为该同学的实验结果：Ep(102J)4.8929.78614.6919.5929.38Ek(102J)5.0410.115.120.029.8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解析(1)高度变化要比较钢球球心的高度变化(2)毫米刻度尺读数时要估读到毫米下一位，由v代入数据可计算出相应速度(3)从表中数据可知EkEp，若有空气阻力，则应为EkEp，所以不同意他的观点(4)实验中遮光条经过光电门时的速度大于钢球经过A点时的速度，因此由Ekmv2计算得到的Ek偏大，要减小Ep与Ek的差异可考虑将遮光条的速度折算为钢球的速度答案(1)B(2)1.50(1.491.51都算对)1.50(1.491.51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vv创新点4利用多个物体验证机械能守恒定律4(2018珠海模拟)用如图实69所示装置可验证机械能守恒定律，轻绳两端系着质量相等的物块A、B，物块B上放一金属片C，铁架台上固定一金属圆环，圆环处在物块B的正下方开始时，金属片C与圆环间的高度为h，A、B、C由静止开始运动当物块B穿过圆环时，金属片C被搁置在圆环上，两光电门分别固定在铁架台P1、P2处，通过数字计时器可测出物块B从P1旁运动到P2旁所用时间t，已知重力加速度为g.图实69(1)若测得P1、P2之间的距离为d，则物块B刚穿过圆环后的速度v_.(2)若物块A、B的质量均用M表示，金属片C的质量用m表示，该实验中验证了下面选项_中的等式成立，即可验证机械能守恒定律AmghMv2BmghMv2Cmgh(2Mm)v2Dmgh(Mm)v2(3)本实验中的测量仪器除了刻度尺、数字计时器外，还需要_(4)改变物块B的初始位置，使物块B从不同的高度由静止下落穿过圆环，记录每次金属片C与圆环间的高度h以及物块B从P1旁运动到P2旁所用时间t，则以h为纵轴，以_(填“t2”或“”)为横轴，通过描点作出的图线是一条过原点的直线，该直线的斜率k_(用m、g、M、d表示). 【导学号：84370249】解析(1)A、B两物块质量相等，当物块B通过圆环、金属片C被搁置在圆环上后，A、B均做匀速直线运动，故v.(2)A、B、C从开始运动至金属片C被搁置在圆环上的过程中，系统损失的重力势能为Epmgh，系统增加的动能为Ek(2Mm)v2，只要EpmghEk(2Mm)v2，即可验证机械能守恒定律，C正确(3)从第(2)问验证的表达式分析，速度可由v求解，质量需要用天平来测量(4)将v代入mgh(2Mm)v2得mgh(2Mm)()2，即h，所以应以为横轴，h图线的斜率为k.答案(1)(2)C(3)天平(4)随堂训练1某同学用图实610(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，当地重力加速度为g9.80 m/s2.实验中该同学得到的一条点迹清晰的完整纸带如图实610(b)所示纸带上的第一个点记为O，另选连续的三个点A、B、C进行测量，图中给出了这三个点到O点的距离hA、hB和hC的值回答下列问题(计算结果保留三位有效数字)图实610(1)打点计时器打B点时，重物速度的大小vB_m/s；(2)通过分析该同学测量的实验数据，他的实验结果是否验证了机械能守恒定律？简要说明分析的依据解析(1)由匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于平均速度可知vB，由电源频率为50 Hz可知T0.02 s，代入其他数据可解得vB3.90 m/s.(2)本实验是利用自由落体运动验证机械能守恒定律，只要在误差允许范围内，重物重力势能的减少等于其动能的增加，即可验证机械能守恒定律选B点分析，由于mv7.61m，mghB7.700m，故该同学的实验结果近似验证了机械能守恒定律答案(1)3.90(2)7.61(m/s)2，ghB7.70(m/s)2，因为mvmghB，近似验证了机械能守恒定律2在用落体法验证机械能守恒定律时，某同学按照正确的操作选得纸带如图实611所示其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点该同学用毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离，并记录在图中(单位cm)图实611(1)这三个数据中不符合读数要求的是_，应记作_cm.(2)该同学用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，已知当地的重力加速度g9.80 m/s2，他用AC段的平均速度作为跟B点对应的物体的瞬时速度，则该段重锤重力势能的减少量为_，而动能的增加量为_，(均保留3位有效数字，重锤质量用m表示)这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量_动能的增加量，原因是_解析本实验测量长度用的是毫米刻度尺，故三个数据中15.7是不合理的，应记做15.70，最后一位是估读；O点到B点的距离h12.54 cm，故减少的势能Epmgh1.23m；计算O点到B点的动能增加量，应先计算出B点的瞬时速度vB，由图可知：vB m/s1.5475 m/s，故Ekmv1.20m由以上数据可知EpEk，其原因在于纸带与限位孔之间有摩擦或空气阻力对实验也带来影响答案(1)15.715.70(2)1.23m1.20m大于有阻力做负功3利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图实612所示：图实612(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l9.30 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