三年高考两年模拟高考物理新课标一轮复习课件第6章第6讲实验验证机械能守恒定律

1、课标版 物理,第6讲实验：验证机械能守恒定律,实验目的 利用自由落体运动验证只有重力作用下的物体机械能守恒。 实验原理 1.在只有重力做功的自由落体运动中,物体的重力势能转化为动能,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.计算打第n个点速度的方法:测出第n个点与相邻前后点间的距离xn和xn+1,由公式vn=或vn=算出,如图所示。,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)。 实验步骤 1.安

2、装置:按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。,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,(1)用m=mghn验证时,应选点迹清晰,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)用m-m=mgh验证时,由于重力势能的相对性,处理纸带时,选择 适当的点为基准点,这样纸

3、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。 数据处理 方法一:利用起始点和第n点计算。代入ghn和,如果在实验误差允许的 条件下,ghn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ghAB。 (2)算出-的值。 (3)在实验误差允许的条件下,若ghAB=-,则验证了机械能守恒定律。 方法三: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

4、证了机械能守恒定律。,误差分析 1.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、打点计时器与纸带间的摩擦阻力)做功,故动能的增加量Ek稍小于重力势能的减少量Ep,即EkEp,这属于系统误差。改进的办法是调整器材的安装,尽可能地减小阻力。 2.本实验的另一个误差来源于长度的测量,属偶然误差。减小误差的办法是测下落距离时都从0点量起,一次将各打点对应的下落高度测量完,或者多次测量取平均值来减小误差。 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

5、物下落。 4.纸带长度应选用60 cm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或vn=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,也只能用刻度尺直接测量,而不能用hn=g或hn=计算得 到。,考点一实验原理和实验误差的分析 典例1(2015黑龙江大庆第二次质检,22)利用重物自由下落验证机械能守恒定律的实验。 (1)在验证机械能守恒定律的实验中,没有必要进

6、行的操作是。 A.用天平测重物的质量 B.用秒表测重物下落的时间 C.用打点计时器记录重物下落的信息 D.用纸带记录并测量重物下落的高度,(2)该实验所用打点计时器的电源频率为50 Hz,图中A、B、C为纸带中选取的三个计数点,相邻两个计数点之间还有4个点未画出,则相邻两个计数点之间的时间间隔T=s,打点计时器在打下计数点B时,重物的下落速度vB=m/s(小数点后保留两位)。 (3)由于该实验中存在阻力做功,所以实验测得重物的重力势能的减少量(选填“小于”、“大于”或“等于”)动能的增加量。 答案(1)AB(2)0.11.96(3)大于,解析(1)因为是比较mgh与mv2的大小关系,故m可约去

7、,不需要测出重 物的质量;用打点计时器可以记录重物下落的时间;用纸带记录并测量重物下落的高度,故选A、B。(2)因相邻两个计数点之间还有4个点未画出,则相邻两个计数点之间的时间间隔T=0.1 s。根据匀变速直线运动的规律:中间时刻速度等于此段过程的平均速度,得vB=1.96 m/s。(3)由于纸带和重 物都受到阻力作用,则有一小部分重力势能转化成了内能,所以重力势能的减少量大于动能的增加量。,1-1(2015河北邯郸质检)“动能定理”和“机械能守恒定律”是物理学中很重要的两个力学方面的物理规律。某同学设计了如图所示的实验装置。一个电磁铁吸住一个小钢球,当电磁铁断电后,小钢球将由静止开始向下加速

8、运动。小钢球经过光电门时,计时装置将记录小钢球通过光电门所用的时间t,用直尺测出小钢球由静止开始下落至光电门时的高度h。 (1)该同学在验证动能定理的过程中,忽略了空气阻力的影响,实验中是否需要测量小钢球的质量?(填“需要”或“不需要”)。,(2)如果用这套装置验证机械能守恒定律,下面的做法能提高实验精确度的是。 A.在保证其他条件不变的情况下,减小小球的直径 B.在保证其他条件不变的情况下,增大小球的直径 C.在保证其他条件不变的情况下,增大小球的质量 D.在保证其他条件不变的情况下,减小小球的质量 答案(1)不需要(2)AC 解析(1)由动能定理有mgh=mv2,化简得gh=v2,故不需要

9、测量小钢球的,质量。(2)用小钢球通过光电门的平均速度来表示小钢球通过光电门的瞬时速度,有v=(d为小钢球的直径),然后验证mgh=mv2,即gh=v2是否成立, 由此验证机械能是否守恒,则小钢球的直径越小,v越精确,故A正确,B错误。由于实际过程中存在阻力,故mgh-fh=mv2,即gh-=v2,所以质量越 大,这一项越小,精确度越高,故C正确,D错误。,1-2图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、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题: (1)为完成此实验,除了所给的器材,还需要的器材有。(填入正确选项前的字母) A.米尺 B.秒表 C.01

10、2 V的直流电源 D.012 V的交流电源,(2)实验中误差产生的原因有 。(写出两个原因) 答案(1)AD (2)纸带和打点计时器之间有摩擦;用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差 解析(1)打点计时器需要交流电源,测量高度h和纸带上计数点之间的距 离需要米尺。所以选A、D。 (2)此实验主要误差来源有两方面:摩擦阻力;测量误差。,考点二实验数据处理 典例2现要通过实验验证机械能守恒定律。实验装置如图所示: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B点有一光电门,可以

11、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:,(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小量可表示为,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。结果如表所示:,以s为横坐标,为纵坐标,在如图所示的坐标纸中描出第1和第5个数据点; 根据5个

12、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)。,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) (2)描点与作图见解析2.40 解析(1)设当滑块运动到B点时下降高度为h,此时砝码上升的高度为s, 由几何关系可知h=,故系统减少的重力势能为Ep=Mgh-mgs= 。,由于系统从静止开始运动,运动至B点时的速度vB=,故动能的增加量Ek= (M+m)=。 由Ep=Ek可解得=s。 (2)描点及作直线见图。,在图中直线上取相距较远的两点,读出两点坐标,由k=

13、可得k=2.4010 4 m-1s-2。 2-1在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中,使质量为m=1.00 kg的重物自由下落,打点计时器在纸带上打出一系列的点,选取一条符合实验要求的纸带如图所示。O为第一个点,A、B、C为从合适位置开始选取连续点中的三个点,已知打点计时器每隔0.02 s打一个点,当地的重力加速度为g=9.80 m/s2,那么:,(1)根据图中所得的数据,应取图中O点到点来验证机械能守恒定律; (2)从O点到(1)问中所取的点,重物重力势能的减少量Ep=J,动能增加量Ek=J(结果取三位有效数字); (3)若测出纸带上所有各点到O点之间的距离,根据纸带算出各点的速度v及重

14、物下落的高度h,则以为纵轴,以h为横轴画出的图像是图中的。,答案(1)B(2)1.881.84(3)A 解析(1)要想验证机械能守恒,首先要求出重物下落到某一位置时的速 度,B点的速度可由vB=直接求出,故选从O点到B点来验证机械能守恒。,(2)由题意可得,Ep=mgxOB=1.009.800.192 J=1.88 J vB= m/s=1.92 m/s, Ek=m=1.00(1.92)2 J=1.84 J。 (3)由机械能守恒定律有mgh=mv2,可得=gh,故A正确。,考点三实验的改进与创新 典例3(2015湖北六校调研,22)某同学设计了以下的实验来验证机械能守恒定律:在竖直放置的光滑的塑

15、料米尺上套一个磁性滑块m,滑块可沿米尺自由下落。在米尺上还安装了一个连接了内阻很大的数字电压表的多匝线框A,线框平面在水平面内,滑块可穿过线框,如图所示。把滑块从米尺的0刻线处释放,记下线框所在的刻度h和滑块穿过线框时的电压U。改变h,调整线框的位置,多做几次实验,记录各次的h,U。,(1)如果采用图像法对得出的数据进行分析论证,用图线(选填“U-h”或“U2-h”)更容易得出结论。 (2)影响本实验精确程度的因素主要是(列举一点即可)。 答案(1)U2-h (2)空气阻力(或电磁感应损失机械能) 解析(1)电压表内阻非常大,则电压表示数U近似等于磁性滑块穿过线 框产生的感应电动势E;滑块下落

16、过程中,若机械能守恒,则mgh=mv2,由E= BLv可知,感应电动势大小与速度v成正比,而v,故验证机械能是否守恒 需要验证U2-h关系图像是不是一次函数图像。(2)由于磁性滑块穿过线框时产生感应电流,机械能有损失。,3-1(2015山西考前质量监测,22)为探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系,某同学设计了如图(a)的实验装置。 图(a) 实验步骤如下: 用游标卡尺测量滑块上遮光片的宽度d,游标卡尺的示数如图(b); 将水平弹簧的一端固定于水平气垫导轨的左侧;,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通过光电门的时间t,算出滑块的速度v; 重复步骤,作出v与x的关系图像如图(c)。 回答下列问题: (1)遮光片的宽度为cm。,(2)若t=3.010-2 s,则滑块的速度为m/s。 (3)由图(c)可知,v与x成关系。 (4)实验可得结论:对同一根弹簧,弹性势