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1、（全国通用）2018年高考物理考点一遍过专题28实验：验证机械能守恒定律（含解析）专题28 实验：验证机械能守恒定律一、实验目的验证机械能守恒定律。二、实验原理如图所示，质量为m的重物从O点自由下落，以地面作为零重力势能面，若果忽略空气阻力，下落过程中在任意两点A和B处重物的机械能守恒，即，该式亦可写成。等式说明，重物重力势能的减少量等于动能的增加量。为了方便，可以直接从开始下落的O点至任意一点（如图中A点）来进行研究，这时应有，该式即为本实验要验证的表达式，式中h是重物从O点下落至A点的瞬时速度。三、实验器材打点计时器，低压交流电源，带有铁夹的铁架台，纸带，复写纸，带架子的重物，刻度尺，导线
2、。四、实验步骤1安装置：按装置图安装器材，沿竖直方向将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（1）用验证时，应选取点迹较为清晰，且1、2两点间的距离略小于或接近2 mm的纸带。（2）用验证时，由于重力势能具有相对性，选择纸带时应选适当的点为基准点，只要后面的点迹清晰就可选用。五、数据处理方法一：利用起始点和第n点进行计算。将实验数据代入mghn和，在实验误差允许的条件下，若mghn和相等，则验证
3、了机械能守恒定律。方法二：任取两点进行计算。（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=，则验证了机械能守恒定律。方法三：图象法从指戴上选取多个带，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算出各点速度的平方v2，然后以v2/2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据作出v2/2 h图线。若在误差许可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。六、误差分析1本实验中，由于重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力（如空气阻力、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EkEp，这属于系统误差。2
4、本实验的另一个误差来源于长度的测量，属于偶然误差。减小误差的办法是测下落距离时都从O点测起，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以减小误差。七、注意事项1打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔要调整在数值方向上，以减小摩擦阻力。2应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可减小体积，使空气阻力减小。3实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，先接通电源，待打点计时器稳定工作后，再松开纸带。4测下落高度时，要从第一个打点测起，并且各点对应的下落高度要一次测量完。5速度不能用vn=gtn或计算，因为只要认为加速度为g，机械能当然
5、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，实际上由于摩擦阻力的影响，机械能应减小，故速度应通过纸带上的数据计算得到。同样道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接测量，而不能用或计算得到。某同学利用图甲所示装置探究力对物体做的功与物体速度变化的关系，得到了下表的数据：实验次数12345橡皮筋条数13457小车速度v/(ms1)0.711.231.421.581.71（注：每条橡皮筋拉长的长度都一样）（1）由表可得出定性结论：_。（2）设一条橡皮筋拉长到固定长度所做功为W0，大致画出橡皮筋所做的功W与小车速度v的图象。（画
6、在图乙中）（3）根据以上的Wv图象对W与v的关系作出初步判断：_。（4）根据数据完成下表的空白部分：实验次数12345橡皮筋做功W0v2/(m2s2)W与v的关系【参考答案】（1）橡皮筋做的功与小车获得的速度有关，并且做功越多，小车获得的速度越大 （2）见解析 （3）可能Wv2 （4）见解析【详细解析】每条橡皮筋拉长的长度都一样，一条橡皮筋拉长到固定长度所做的功为W0，由做功与拉长橡皮筋条数成正比得，第2、3、4、5次拉长橡皮筋做功应分别为3W0、4W0、5W0、7W0。（1）定性结论：橡皮筋做的功与小车获得的速度有关，并且做功越多，小车获得的速度越大。（2）W与v的图象如图所示。（3）W与v
7、的图象很像抛物线，可能Wv2。（4）如下表实验次数12345橡皮筋做功W03W04W05W07W0v2/(m2s2)0.501.512.022.502.92W与v的关系Wv21某同学安装如图甲所示的实验装置，验证机械能守恒定律。如图乙所示是该实验得到的一条点迹清晰的纸带，现要取A、B两点来验证，已知电火花计时器每隔0.02 s打一个点。请回答下列问题：（1）电火花计时器的工作电压是_V。（2）若x2=4.80 cm，则在纸带上打下计数点B时的速度vB=_m/s（计算结果保留三位有效数字）。（3）若x1数据也已测出，则实验还需测出的物理量为_。（4）经过测量计算后，某同学画出了如图丙所示的Eh图
8、线，则图中表示重物动能随重物高度变化的曲线为_（填“图线A”或“图线B”）。【答案】（1）220 （2）1.20 （3）A、B之间的距离或hAB （4）图线B【名师点睛】纸带问题的处理是力学实验中常见的问题。我们可以纸带法实验中，若纸带匀变速直线运动，测得纸带上的点间距，利用匀变速直线运动的推论，可计算出打出某点时纸带运动的瞬时速度。2甲实验小组利用图（a）装置探究机械能守恒定律。将小钢球从轨道的不同高度h处静止释放，斜槽轨道水平末端离落点的高度为H，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s。（g取10 m/s2）（1）若轨道完全光滑，s2与h的理论关系应满足s2=_（用H、h表示）。（2）图（b）
9、中图线为根据实验测量结果，描点作出的s2h关系图线；图线为根据理论计算得到的s2h关系图线。对比实验结果，发现自同一高度静止释放的钢球，实际水平抛出的速率_（选填“小于”或“大于”）理论值。造成这种偏差的可能原因是_。乙实验小组利用同样的装置“通过频闪照相探究平抛运动中的机械能守恒”。将质量为0.1 kg的小钢球A由斜槽某位置静止释放，由频闪照相得到如图（c）所示的小球位置示意图，O点为小球的水平抛出点。（3）根据小球位置示意图可以判断闪光间隔为_s。（4）以O点为零势能点，小球A在O点的机械能为_J；小球A在C点时的重力势能为_J，动能为_J，机械能为_J。【答案】（1）4Hh （2）小于
10、轨道与小球间存在摩擦或小球的体积过大 （3）0.1 （4）0.112 5 0.8 0.912 5 0.112 5（2）对比实验结果与理论计算得到的s2h关系图线中发现：自同一高度静止释放的钢球，也就是h为某一具体数值时，理论的s2数值大于实验的s2数值，根据平抛运动规律知道同一高度运动时间一定，所以实验中水平抛出的速率小于理论值。从s2h关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差十分显著，认为造成上述偏差的可能原因是小球与轨道间存在摩擦力，或小球的体积过大造成的阻力过大；由于摩擦阻力做功损失了部分机械能，所以造成实验中水平抛出的速率小于理论值。（3）根据y=gT2得：。（4）设O点下一个点为B点，
11、根据运动学公式得，水平初速度，所以小球A在O点的速度v0=1.5 m/s，小球A在C点时的速度，小球A在O点的机械能E0=0+0.1(1.5)2=0.112 5 J，因O点为小球的水平抛出点，且以O点为零势能点，则小球A在C点时的重力势能为Ep=mgh=0.8 J；在C点的动能：EkC=mvc2=0.912 5 J；小球A在C点时的机械能EC=mvc2+(mgh0C)=0.912 50.8=0.112 5 J。【名师点睛】本题从新的角度考查了对机械能守恒实定律的理解，有一定的创新性，很好地考查了学生的创新思维，掌握平抛运动的处理方法，平抛运动在水平方向上做匀速直线运动，竖直方向上做自由落体运动
12、。用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验时接通电源，质量为m2的重物从高处由静止释放，质量为m1的重物拖着纸带打出一系列的点，图乙是实验中打出的一条纸带，A是打下的第1个点，量出计数点E、F、G到4点距离分别为d1、d2、d3，每相邻两计数点的计时间隔为T，当地重力加速度为g。（以下所求物理量均用已知符号表达）（1）在打点AF的过程中，系统动能的增加量Ek=_，系统重力势能的减少量Ep=_，比较Ek、Ep大小即可验证机械能守恒定律。（2）某同学根据纸带算出各计数点速度，并作出图象如图丙所示，若图线的斜率k=_，即可验证机械能守恒定律。【参考答案】（1） (m2m1)gd2 （2）【详细
13、解析】（1）由于每相邻两计数点的计时间隔为T，根据某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求出点F的瞬时速度：。 在AF过程中系统动能的增量Ek=(m1+m2)vF2=。系统重力势能的减小量为Ep=(m2m1)gd2。（2）本题中根据机械能守恒可知，(m2m1)gd=(m1+m2)v2，即有：v2=gd，所以v2d图象中图象的斜率表示重力加速度，那么斜率k=。【名师点睛】本题验证系统机械能守恒，关键得出系统动能的增加量和系统重力势能的减小量，要掌握求瞬时速度的方法。1某实验中学的物理兴趣实验小组利用如图甲所示的实验装置验证系统的机械能守恒定律。将一气垫导轨倾斜地固定在水平桌面上，导轨的倾角为
14、，在气垫导轨的左端固定一光滑的定滑轮，在靠近滑轮的B处固定一光电门，将质量为m的小球通过一质量不计的细线与一带有遮光板的总质量为M的滑块相连接。现将带有遮光板的滑块由气垫导轨的A处由静止释放，通过计算机测出遮光板的挡光时间为t，用游标卡尺测出遮光板的宽度为b，用刻度尺测出A、B之间的距离为d。假设滑块在B处的瞬时速度等于挡光时间t内的平均速度。由以上的叙述回答下列问题：（1）若游标卡尺的读数如图乙所示，则遮光板的宽度为_mm；（2）滑块到达光电门B处的瞬时速度vB为=_；(用字母表示)（3）如果该小组的同学测得气垫导轨的倾角=30，在滑块由A点运动到B点的过程中，系统动能增加量Ek为_，系统重力势能减少量Ep为_，若在误差允许的范围内Ek=Ep，则滑块与小球组成的系统机械能守恒。重力加速度用g表示。（以上结果均用字母表示）（4）在验证了机械能守恒定律后，该小组的同学多次改变A、B间的距离d，并作出了v2d图象，如图丙所示，如果M=m，则g=_m/s2。【答案】（1）3.85 （2） （3） （4）9.6（3）滑块从A处到达B处时m和M组成的系统动能增加量为：；系统的重力势能减少量可表示为：Ep=mgdMgdsin 30=(m)gd；
