世纪金榜·2016高考物理一轮配套课件：实验06-验证机械能守恒定律

实验六

验证机械能守恒定律实验目的和器材实验目的验证机械能守恒定律实验器材铁架台(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【实验过程】一、实验步骤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O,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……二、数据处理方法一：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：采用图像法。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。【误差分析】误差产生原因减小方法偶然误差测量长度带来的误差(1)测量距离时就应从计数0点量起,且选取的计数点离0点远些(2)多次测量取平均值系统误差重物和纸带下落过程中存在阻力(1)打点计时器安装稳固,并使两限位孔在同一竖直线上,以减小摩擦阻力(2)选用质量大、体积小的物体作重物,以减小空气阻力的影响【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。【实验改进】1.物体的速度可以用光电计时器测量,以减小由于测量和计算带来的误差。2.整个实验装置可以放在真空的环境中操作,如用牛顿管和频闪照相进行验证,以消除由于空气阻力作用而带来的误差。3.可以利用气垫导轨来设计该实验,以减小由于摩擦带来的误差。4.为防止重物被释放时的初速度不为零,可将装置改成如图所示形式,剪断纸带最上端,让重物从静止开始下落。热点1对实验数据处理和误差分析的考查【例证1】(2013·海南高考)某同学用图甲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50Hz,当地重力加速度大小为g=9.80m/s2。实验中该同学得到的一条点迹清晰的完整纸带如图乙所示,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3位有效数字)：(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。【解题探究】(1)B点速度大小的求解思路：①原理：匀变速直线运动的物体在一段时间内的中间时刻的瞬时速度等于_____________________。②公式：vB=____________。该段时间内的平均速度(2)通过实验数据怎样验证机械能守恒定律?提示：在误差允许的范围内,如果mghB和

的大小近似相等,即验证了机械能守恒定律。【解析】(1)打点计时器打B点时重物速度的大小vB==3.90m/s(2)=7.61(m/s)2,ghB=7.70(m/s)2,因为≈mghB,近似验证了机械能守恒定律,或由

<mghB得出其他合理的结论也可以。答案：(1)3.90

(2)见解析热点2对实验的迁移应用的考查【例证2】(2014·广东高考)某同学根据机械能守恒定律,设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系,(1)如图甲,将轻质弹簧下端固定于铁架台,在上端的托盘中依次增加砝码,测量相应的弹簧长度,部分数据如下表,由数据算得劲度系数k=

N/m。(g取9.80m/s2)砝码质量/g50100150弹簧长度/cm8.627.636.66(2)取下弹簧,将其一端固定于气垫导轨左侧,如图乙所示;调整导轨,使滑块自由滑动时,通过两个光电门的速度大小

。(3)用滑块压缩弹簧,记录弹簧的压缩量x;释放滑块,记录滑块脱离弹簧后的速度v,释放滑块过程中,弹簧的弹性势能转化为

。(4)重复(3)中的操作,得到v与x的关系如图丙,由图可知,v与x成

关系。由上述实验可得结论：对同一根弹簧,弹性势能与弹簧的

成正比。【解题探究】(1)胡克定律的推导式_________。(2)弹簧的弹性势能与滑块的动能是如何转化的?提示：弹性势能转化为滑块的动能。(3)实验操作中如何用作图法处理实验数据?提示：若关系图像是一条过原点的倾斜直线,则二者成正比关系。ΔF=kΔx【解析】(1)根据胡克定律F=kΔx得：F1=k(L0-L1)

F2=k(L0-L2),有ΔF=F2-F1=k(L1-L2)则k==49.5N/m,同理可得k′==50.5N/m,则劲度系数为=50.0N/m(2)滑块自由滑动时,滑块通过两个光电门的速度大小相等,说明滑块做匀速直线运动,导轨是水平的,没有重力势能的变化。(3)根据能的转化和守恒定律可得弹簧的弹性势能转化为滑块的动能。(4)v与x的关系图是一条过原点的倾斜直线,说明v与x成正比关系,弹性势能转化为动能,即E弹=mv2,又由v与x成正比关系,所以弹性势能与弹簧的压缩量成正比。答案：(1)50.0

(2)