（新课标）202x版高考物理一轮复习 第五章 实验六 验证机械能守恒定律

1、实验六验证机械能守恒定律,一 实验目的,二 实验原理,三 实验器材,基础过关,四 实验步骤,五 实验结论,六 误差分析,七 注意事项,考点一 实验原理和实验操作,考点二 实验数据处理和误差分析,考点三 实验拓展和实验创新,考点突破,一、实验目的 验证机械能守恒定律。 二、实验原理,基础过关,通过实验,求出做自由落体运动物体重力势能的减少量和相应过程动能的增加量,若二者相等,说明机械能守恒,从而验证机械能守恒定律。 三、实验器材 打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物(带夹子)、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线。 四、实验步骤 1.安装置:按实验原理图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接

2、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 (1)用mgh=mv2来验证,应选点迹清晰且1、2两点间距离小于或接近 2 mm的纸带。 (2)用m-m=mgh验证时,只要A、B之间的点迹清晰即可选用,五、实验结论 在误差允许的范围内,自由落体运动过程机械能守恒。 六、误差分析 1.测量误差:减小测量误差的方法,一是测下落距离时都从0点量起,用刻度尺一次将所打各点对应的下落高度测量完,二是多测几次取平均值。 2.系统误差:由于

3、重物和纸带下落过程中要克服阻力做功,故动能的增加量Ek=m必定稍小于重力势能的减少量Ep=mghn,改进办法 是调整安装的器材,尽可能地减小阻力,七、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。 4.测重物下落的高度h应用刻度尺直接测量,计算某时刻的瞬时速度时应用vn=,不能用vn=或vn=gt来计算,考点一实验原理和实验操作,考点突破,例1如图所示,在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中,电源的频率为50 Hz,依次打出的点为0、1、2

4、、3、4n。则: (1)如用第2点到第6点之间的纸带来验证,必须直接测量的物理量为、,必须计算出的物理量为、,验证的表达式为,2)下列实验步骤操作合理的排列顺序是(填写步骤前面的字母)。 A.将打点计时器竖直安装在铁架台上 B.接通电源,再松开纸带,让重物自由下落 C.取下纸带,更换新纸带重新做实验 D.将重物固定在纸带的一端,让纸带穿过打点计时器,用手提着纸带 E.选择一条纸带,用刻度尺测出重物下落的高度h1、h2、h3、hn,计算出对应的瞬时速度v1、v2、v3、vn F.分别算出和ghn,在实验误差允许范围内看是否相等,答案(1)第3点到第5点之间的距离h35第2点到第4点之间的距离h2

5、4第4点到第6点之间的距离h46第3点的瞬时速度v3第5点的瞬时速 度v5gh35=- (2)ADBCEF,解析(1)要用第2点到第6点之间的纸带来验证重物的运动过程中机械能守恒,应测出第3点到第5点之间的距离h35,必须测出第2点到第4点之间的距离h24和第4点到第6点之间的距离h46,必须计算出第3点和第5点的瞬时速度v3和v5,机械能守恒的表达式为mgh35=m-m,故需验证的表 达式为gh35=-。 (2)实验操作顺序为ADBCEF,变式1(2019湖北荆门龙泉中学联考)如图甲所示为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。现有的器材为:带铁夹的铁架台、打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。

6、回答下列问题,甲,1)为完成此实验,除了所给的器材,还需要的器材是。 A.刻度尺B.停表 C.多用电表D.交流电源 (2)下面列举了该实验的几个操作步骤,其中操作不当的步骤是。 A.用天平测出重锤的质量 B.按照图示的装置安装器件 C.先释放纸带,后接通电源 D.测量纸带上某些点间的距离,3)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值。根据打出的纸带,选取纸带上连续的五个点A、B、C、D、E,测出各点之间的距离如图乙所示。使用的交流电的频率为f,则计算重锤下落的加速度的表达式为a=(用x1、x2、x3、x4及f表示,乙,答案(1)AD(2)AC (3,解析(1)为完成此实验,除了所给的器材

7、外,测量需要刻度尺,打点计时器需要用交流电源。 (2)该实验不需要测量重锤的质量;应先接通电源,后释放纸带。故选A、C。 (3)由x=aT2得: a,考点二实验数据处理和误差分析 例2现要通过实验验证机械能守恒定律。实验装置如图甲所示,水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨;导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块,其总质量为M,左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连;遮光片两条长边与导轨垂直;导轨上的B点有一光电门,可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t。用d表示A点到导轨底端C点的距离,h表示A与C的高度差,b表示遮光片的宽度,s表示A、B两点间的距离,将遮光片通过光电门的平均速度看做滑

8、块通过B点时的瞬时速度。用g表示重力加速度。完成下列填空和作图,甲 (1)若将滑块自A点由静止释放,则在滑块从A运动至B的过程中,滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减少量可表示为,动能的增加量可表示为。若在运动过程中机械能守恒,与,s的关系式为= 。 (2)多次改变光电门的位置,每次均令滑块自同一点(A点)下滑,测量相应的s与t值。结果如下表所示,以s为横坐标,为纵坐标,在如图乙所示的坐标纸中描出第1个和第 5个数据点。根据5个数据点作直线,求得该直线的斜率k=104 m-1s-2(保留3位有效数字,乙,由测得的h、d、b、M和m数值可以计算出-s直线的斜率k0,将k和k0进行比较,若其差

9、值在实验允许的范围内,则可认为此实验验证了机械能守恒定律,答案(1)gs (2)描点画图见解析2.39,解析(1)将滑块自A点由静止释放,则在滑块从A运动至B的过程中,下落的高度设为hAB,由几何关系得 = 可得hAB= 系统重力势能的减少量 Ep=MghAB-mgs=-mgs=gs,动能的增加量 Ek= 若在运动过程中机械能守恒,则 gs= 解得=。 (2)描点画图如下,由图可知:k=104 m-1s-22.39104 m-1s-2,变式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20 Hz、 30 Hz和4

10、0 Hz。打出纸带的一部分如图(b)所示,图(a) 图(b,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=8.89 cm,s2=9.50 cm,s3=10.10 cm;当地重力加速度大小为9.80 m/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,答案(1)(s1+s2)f(s2+s3)f(s3-s1)f2 (2)40,解析(1)匀变

11、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=ma 解得a=0.99g 又由(1)问知a= 联立得f=40 Hz,考点三实验拓展和实验创新,续表,续表,例3某同学利用透明直尺和光电计时器来验证机械能守恒定律,实验的简易示意图如下,当有不透光的物体从光电门间通过时,光电计时器就可以显示物体的挡光时间,所用的光电门传感器可测得最短时间为0.01 ms。将挡光效果好、宽度为d=3.810-3 m的黑色磁带贴在透明直尺上,从一定高度由静止释放,并使其竖直通过光

12、电门。某同学测得各段黑色磁带通过光电门的时间ti与图中所示的高度差hi,并将部分数据进行了处理,结果如下表所示。(取g=9.8 m/s2,注:表格中M为直尺质量,1)从表格中数据可知,直尺上磁带通过光电门的瞬时速度是利用vi= 求出的,请你简要分析该同学这样做的理由是:。 (2)请将表格中数据填写完整。 (3)通过实验得出的结论是:。 (4)根据该实验请你判断下列Ek-h图像中正确的是,答案(1)极短时间内的平均速度近似等于瞬时速度 (2)4.224.02M (3)在误差范围内重力势能减少量等于动能的增加量 (4)C,解析(2)v= m/s4.22 m/s,Mgh=9.80.41M4.02M。

13、 (3)从表中数据可知,在误差范围内,动能的增加量与重力势能的减少量相等。 (4)由于Ek=Mgh,则动能的变化与高度差成正比,C正确,变式3(2018山东德州模拟)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m=0.2 kg,结果保留3位有效数字,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

14、机械能守恒定律。由上述计算得EpEk(选填“”“”或“=”),造成这种结果的主要原因是,答案(1)3.48(2)1.241.28(3)存在空气阻力,解析(1)v5=10-2 m/s=3.48 m/s。 (2)重力势能的增加量Ep=mgh,代入数据可得Ep1.24 J,动能减少量为Ek=m-m,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,1.(2019山西晋中祁县中学月考)某课外活动小组用竖直上抛运动验证机械能守恒定律。 (1)某同学用20分度游标卡尺测量小球的直径,读数如图甲所示,小球的直径为mm,2)图乙所示弹射装置将小球竖直向上抛出,先后通过光电门A、

15、B,计时装置测出小球通过A的时间为2.5510-3 s,小球通过B的时间为5.1510-3 s,由此可知小球通过光电门A、B时的速度分别为vA、vB,其中vA=m/s。(保留两位有效数字) (3)用刻度尺测出光电门A、B间的距离h,已知当地的重力加速度为g,只需比较和是否相等,就可以验证机械能是否守恒(用题目中给出的物理量符号表示,答案(1)10.20(2)4.0(3)gh,解析(1)游标卡尺的读数为d=10 mm+4 mm= 10.20 mm。 (2)由于小球的直径非常小,所以小球通过光电门的平均速度近似等于其瞬时速度,故有vA= m/s=4.0 m/s。 (3)如果机械能守恒,则有mgh=

16、m-m,即gh=-,所以只需要比 较gh和-是否相等,2.(2019河北邯郸一中质检)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的金属小球由A处静止释放,下落过程中能通过固定于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,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的变化图像如图丙所示,当,图中已知量t0、H0,重力加速度g及小球的直径d满足表达式时,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

17、于重力势能减少量Ep,增加下落高度后,则Ep-Ek将(选填“增大”“减小”或“不变”,答案(1)0.725(2)2gH0=d2(3)增大,解析(1)由题图乙可知,读数为7 mm+50.05 mm=7.25 mm=0.725 cm。 (2)若减少的重力势能等于增加的动能,可以认为机械能守恒,则有mgH=mv2 即2gH0= 解得2gH0=d2。 (3)由于该过程中有阻力做功,而高度越高,阻力做功越多,故增加下落高,度后,Ep-Ek将增大,3.利用如图甲所示装置做“验证机械能守恒定律”实验,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

18、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,甲,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=。 乙,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