《2019届高考物理总复习实验创新增分专题六验证机械能守恒定律学案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2019届高考物理总复习实验创新增分专题六验证机械能守恒定律学案（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1实验六实验六 验证机械能守恒定验证机械能守恒定 律律一、实验目的验证机械能守恒定律。二、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mv2，看gh和v2在实验误差允许的范围内是否相等，若相等则验证了机械1 21 2能守恒定律。2计算打第n个点时瞬时速度的方法：如图所示，由公式可得第n个点的速度vn。hn1hn1 2T三、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)。四、实验步骤1安装器材：将调整好的打点计时器竖
2、直固定在铁架台上，接好电路。22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从已打出的纸带中，选出第一、二点间的距离接近 2 mm 并且点迹清晰的纸带进行测量。4在挑选的纸带上，记下第一点的位置O，并在纸带上从任意点开始依次选取几个点1、2、3、4、并量出各点到位置O的距离，这些距离就是物体运动到点 1、2、3、4、时下落的高度h1、h2、h3、h4、。五、数据处理1求瞬时速度：由公式vn可以计算出重物下落hn的高度时对应的瞬hn1hn1 2T时速度vn
3、。2验证守恒：方案一：利用起始点和第n点计算。代入mghn和mv，如果在实验误差允许的条件下mghn和mv相等，则验证了机械能1 22n1 22n守恒定律。方案二：任取两点计算。任取两点A、B测出hAB，算出mghAB。算出mvmv的值。1 22B1 22A在实验误差允许的条件下，若mghABmvmv成立，则验证了机械能守恒定律。1 22B1 22A方案三：采用图象法。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1 21 2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
4、律。3六、误差分析1偶然误差：减小测量误差的方法，一是测下落距离时都从 0 点量起，一次将各打点对应下落高度测量完，二是多测几次取平均值。2系统误差：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量Ekmv必定稍小于重力势能的减少量 Epmghn，选用质量大、体积小的物体为重1 22n物，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 60 cm 左右为宜，应选用点迹清晰的纸带进行测量。5速度不
5、能用vngtn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vngtn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hngt2计算得到。v2n 2g1 26本实验不必称出重物质量。考点 1 基础实验例 1 (2016北京高考)利用图 1 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4B速度变化量和势能变化量C速度变化量和高度
6、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)(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到图 2 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_。(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vgt计算重物速度B利用公式v计算重物速度2ghC存在空气
7、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)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2h图象，并做如下判断：若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒，请你分析论证该同学的判断是否正确。解析 (1)重物下落过程中重力势能减少，动能增加，故该实验需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量在误差范围内是否相等，A 正确。(2)电磁打点计时器使用的是交流电源，A 正确。需要测纸带上两点间的距离，还需要刻度尺，B 正确。根据mghmv20 可将等式两边的质量抵消，不需要天平，C 错
8、误。1 2(3)重物的重力势能变化量为 EpmghB，动能的变化量 Ekmvm2。1 22B1 2(hChA 2T)(4)重物重力势能的减少量大于动能的增加量，是因为重物下落过程中存在空气阻力和摩擦阻力的影响，C 正确。(5)该同学的判断依据不正确，在重物下落h的过程中，若阻力f恒定，根据mghfhmv20，则v22h可知，v2h图象就是过原点的一条直线。要想通过1 2(gf m)v2h图象的方法验证机械能是否守恒，还必须看图象的斜率是否接近 2g。5答案 (1)A (2)AB (3)mghB m2 (4)C (5)不正确，理由见解析1 2(hChA 2T)除实验过程中操作注意事项外，还应注意
9、处理数据的方法技巧，常用方法是：(1)计算法：通过计算比较重力势能的减少量与动能的增加量是否相等，验证机械能守恒定律时，注意重力加速度的取值和有效数字的保留。一般 EpEk，否则可能错误。(2)图象法：通过图象验证机械能是否守恒，要根据机械能守恒定律写出图象对应的函数表达式，弄清图象斜率的物理意义，如v2h图象、v2h图象、v22h图象，根据图象求1 2出斜率，计算出重力加速度，计算结果与当地重力加速度比较，根据二者是否在误差允许的范围内近似相等，判断机械能是否守恒。利用如图甲所示的装置进行“验证机械能守恒定律”的实验：(1)需要测量由静止开始到某点的瞬时速度v与下落高度h。某同学利用实验得到
10、的纸带，设计了以下四种测量方案：A用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过v计算出瞬时速度v2ghB用刻度尺测出物体下落的高度h，用秒表测出下落时间t，并通过vgt计算出瞬时速度vC用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，计算出瞬时速度vD根据做匀变速直线运动时纸带某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，计算出瞬时速度v，并通过h计算出高度hv2 2g以上方案中正确的是_。(2)实验中，测得所用的重物质量为 1.00 kg。实验中得到一条点迹清晰的纸带(如图乙所示)，把第一个点记作O，另选连续的五个点A、B、C、D、E作为测量
11、的点，经测量知6道A、B、C、D、E各点到O点的距离分别为 3.14 cm、4.90 cm、7.05 cm、9.59 cm、12.48 cm。已知电磁打点计时器所用的电源的频率为 50 Hz，查得当地的重力加速度g9.80 m/s2。(计算结果取三位有效数字)根据以上数据，打点计时器打下D点时，重物下落的速度vD_m/s。根据以上数据，可知重物由O点运动到D点，重力势能的减少量等于_J。若同学丙在测量数据时不慎将上述纸带从OA之间扯断，她仅利用A点之后的纸带能否实验验证机械能守恒定律的目的？_(填“能”或“不能”)。若同学丁在实验中打出的纸带第一、二点间的距离为 0.32 cm。那么原因是_
12、_。答案 (1)C (2)1.36 0.940 能 先释放纸带，后接通电源打点解析 (1)以上方案中正确的是用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，计算出瞬时速度v，故 C正确，A、B、D 错误。(2)根据以上数据，打点计时器打下D点时，重物下落的速度vD1.36 hEhC 2Tm/s。根据以上数据，可知重物由O点运动到D点，重力势能的减少量等于mgh1.009.809.59102 J0.940 J。A点之后的纸带能通过BD段mghBDmvmv实验验证机械能守恒定律。纸带第一、二点间的距离为 0.32 cm，大1 22D1 22B
13、于 0.2 cm。原因是先释放纸带，后接通电源打点。考点 2 创新实验例 2 (2016江苏高考)某同学用如图 1 所示的装置验证机械能守恒定律。一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于A点。光电门固定在A的正下方，在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条。将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出，取v 作为钢球经过A点时的速度。记录钢球每次下落的d t高度h和计时器示数t，计算并比较钢球在释放点和A点之间的势能变化大小 Ep与动能变化大小 Ek，就能验证机械能是否守恒。7(1)用 Epmgh计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度h应测量释放时的钢球球
14、心到_之间的竖直距离。A钢球在A点时的顶端B钢球在A点时的球心C钢球在A点时的底端(2)用 Ekmv2计算钢球动能变化的大小。用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图 21 2所示，其读数为_ cm。某次测量中，计时器的示数为 0.0100 s，则钢球的速度为v_ m/s。(3)下表为该同学的实验结果：Ep(102 J)4.8929.78614.6919.5929.38Ek(102 J)5.0410.115.120.029.8他发现表中的 Ep与 Ek之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的。你是否同意他的观点？请说明理由。(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议。解析 (1)要测量钢球下落的高度，应
15、测量开始释放时钢球的球心到钢球在A点时球心的竖直距离，选 B。8(2)根据题图可知，遮光条的宽度为d1.50 cm，若计时器的示数为 0.0100 s，则钢球的速度v m/s1.50 m/s。d t1.50 102 0.010 0(3)由于空气阻力的存在，钢球下落过程中克服空气阻力做功，因此动能的增加量会小于重力势能的减少量，而题中表格数值表明动能的增加量大于重力势能的减少量，显然误差不是由于空气阻力造成的，而是由遮光条在钢球的下面，光电门到悬点的距离L大于球心到悬点的距离l，因此测得的速度比钢球的实际速度大造成的。(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算 Ek时，将v折算成钢球的速度vv。l L答案 (1)B(2)1.50(1.491.51 都算对) 1.50(1.491.51 都算对)(3)不同意，因为空气阻力会造成 Ek小于 Ep，但表中 Ek大于 Ep。(4)分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算 Ek时，将v折算成钢球的速度vv。l L(1)因空气阻力做负功，导致 EkEp，是钢球的速度计算方法引起的。(2)本实验
