（江苏专用）2021版高考物理一轮复习 第5章 机械能及其守恒定律 实验7 验证机械能守恒定律教案.doc

实验七验证机械能守恒定律1实验目的验证机械能守恒定律。2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，则其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，如图所示。3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)。4实验步骤(1)仪器安装将检查、调整好的打点计时器按如图所示装置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：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。如果根据mvmvmgh验证时，由于重物重力势能的变化是绝对的，处理纸带上的数据时，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。5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。将实验数据代入ghn和v，如果在实验误差允许的范围内，ghnv，则验证了机械能守恒定律。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定律。6误差分析(1)系统误差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、打点计时器阻力)做功，故重物动能的增加量ek稍小于其重力势能的减少量ep，即ek”“ek，原因是存在空气阻力和摩擦阻力。答案(1)3.20(2)2.782.94(3)存在空气阻力和摩擦阻力2如图甲所示是用“落体法”验证机械能守恒定律的实验装置。(g取9.80 m/s2)甲(1)选出一条清晰的纸带如图乙所示，其中o点为打点计时器打下的第一个点，a、b、c为三个计数点，打点计时器通以频率为50 hz的交变电流。用分度值为1 mm的刻度尺测得oa12.41 cm，ob18.90 cm，oc27.06 cm，在计数点a和b、b和c之间还各有一个点，重锤的质量为1.00 kg。甲同学根据以上数据算出：当打点计时器打到b点时重锤的重力势能比开始下落时减少了_j；此时重锤的速度vb_m/s，此时重锤的动能比开始下落时增加了_j。(结果均保留三位有效数字)乙丙(2)某同学利用他自己实验时打出的纸带，测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h，算出了各计数点对应的速度v，然后以h为横轴、以v2为纵轴作出了如图丙所示的图线，图线的斜率近似等于_。a19.6 b9.8 c4.90图线未过原点o的原因是_。解析(1)当打点计时器打到b点时，重锤的重力势能减小量epmgob1.009.8018.90102 j1.85 j；打b点时重锤的速度vb m/s1.831 m/s，此时重锤的动能增加量ekmv1.001.8312 j1.68 j。(2)由机械能守恒定律有mv2mgh，可得v2gh，由此可知图线的斜率近似等于重力加速度g，故b正确。由图线可知，h0时，重锤的速度不等于零，原因是该同学做实验时先释放了纸带，然后才合上打点计时器的开关。答案(1)1.851.831.68(2)b先释放了纸带，后合上打点计时器的开关 实验拓展与创新在高考中往往以课本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性、创新性等特点，如以下拓展创新角度：1(2019江苏盐城二模)某实验小组利用如图甲所示的装置来验证机械能守恒定律。在铁架台的顶端有一电磁铁，正下方某位置固定一光电门，电磁铁吸住直径为d的小铁球，此时球心与光电门的竖直距离为h。断开电源，小球下落，通过光电门的挡光时间为t。请回答下列问题：甲 乙(1)用游标卡尺测得d的长度如图乙所示，则该示数为_ cm。(2)该实验需要验证的表达式为_(用题中字母表示，设重力加速度为g)。(3)在实验过程中，多次改变h，重复实验，这样做可以_。a减小偶然误差b减小系统误差c使实验结论更具有普遍性(4)小组内某同学提出，用高为d的铁质小圆柱体代替小铁球可提高实验的准确性，其理由是_。解析(1)用游标卡尺测得d的长度为：0.5 cm110.05 mm0.555 cm。(2)小球到达光电门时的速度：v；则要验证的关系是：mghmv2，即gh。(3)在实验过程中，多次改变h，重复实验，这样做不能减小偶然误差和系统误差，但可以使实验结论更具有普遍性，故选c。(4)小铁球经过光电门的挡光长度不一定是小球的直径，圆柱体挡光长度就是柱体高度，所以用高为d的铁质小圆柱体代替小铁球可提高实验的准确性。答案(1)0.555 (2)gh (3)c(4)小铁球经过光电门的挡光长度不一定是小球的直径，圆柱体挡光长度就是柱体高度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，结果保留三位有效数字)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，重力势能增加量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)重力势能的增加量epmgh，代入数据可得ep1.24 j，动能减少量为ekmvmv，代入数据可得ek1.28 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)1.241.28(3)存在空气阻力3如图甲所示，一位同学利用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”的实验。有一直径为d、质量为m的金属小球从a处由静止释放，下落过程中能通过a处正下方、固定于b处的光电门，测得a、b间的距离为h(hd)，光电计时器记录下小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g。则：甲乙丙(1)如图乙所示，用游标卡尺测得小球的直径d_cm。(2)多次改变高度h，重复上述实验，作出随h的变化图象如图丙所示，当图中已知量t0、h0和重力加速度g及小球的直径d满足以下表达式：_时，可判断小球下落过程中机械能守恒。(3)实验中发现动能增加量ek总是稍小于重力势能减少量ep，增加下落高度后，则epek将_(选填“增大”“减小”或“不变”)。解析(1)由题图乙可知，主尺刻度为7 mm；游标尺上对齐的刻度为5。故读数为：(750.05) mm7.25 mm0.725 cm。(2)若减小的重力势能等于增加的动能时，可以认为机械能守恒，则有：mghmv2，即：2gh0，解得：h0。(3)由于该过程中有阻力做功，且高度越高，阻力做功越多，故增加下落高度后，epek将增大。答案(1)0.725(2)h0(3)增大4(2019江苏南京三模)如图甲所示，气垫导轨上质量为m的滑块通过轻质细绳绕过滑轮与质量为m的钩码相连，绳子的悬挂点与拉力传感器相连，遮光条宽度为d。气源开通后，滑块在绳子拉力的作用下由静止释放，遮光条通过光电门的时间为t，拉力传感器的读数为f。不计滑轮质量，不计滑轮轴、滑轮与轻质细绳之间的摩擦。(1)某同学用螺旋测微器测遮光条宽度，螺旋测微器示数如图乙所示，d_ mm。(2)某学习小组的同学欲探究绳子拉力对滑块做功与滑块动能变化的关系，记录滑块释放时遮光条与光电门的距离l及其通过光电门的时间t，得到一系列l和t的数据，通过图象法处理数据时，为了获得线性图象应作_(选填“l”“l”或“l(t)2”)图象，该图象的斜率k_(用题中字母表示)。(3)该小组同学利用所测数据计算发现：绳子拉力f做的功总小于滑块动能的变化量。若实验中数据的测量均是准确的，分析出现这一意外情况的可能原因是_。a“没有满足钩码质量m远小于滑块质量m”这一条件b滑块运动过程中存在阻力c没有调节气垫导轨水平d拉滑块的细绳与气垫导轨不平行(4)在排除意外情况后，用上述装置和相应数据研究系统(含滑块、钩码)机械能是否守恒，若运动过程中系统机械能守恒，则满足下列_关系式。afmbfl(mm)cmglmmdmgmm解析(1)根据螺旋测微器的读数原理可知，d3 mm11.5 mm3.115 mm。(2)根据牛顿第二定律可得：fma，再结合运动学规律v22al，v，联立可得2l，l，为了获得线性图象，应作l图，且斜率k表示。(3)拉力做的功比动能变化小，根据动能定理可知，肯定有另外一个力做正功，分析可知c正确；实验是通过传感器测量力的大小，无需满足钩码质量m远小于滑块质