《高一教科版物理必修二讲义及练习：第四章 第5节机械能守恒定律4 实验讲义及练习：验证机械能守恒定律（讲义） 》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高一教科版物理必修二讲义及练习：第四章 第5节机械能守恒定律4 实验讲义及练习：验证机械能守恒定律（讲义） （7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、高中物理实验：验证机械能守恒定律 一、考点突破一、考点突破 知识点知识点考纲要求考纲要求题型题型说明说明 实验：验证机 械能守恒定律 1. 掌握验证机械能守恒定 律的方法； 2. 会用计算法或图象法处 理实验数据。 实验题 本知识点属于高频考点，是力学的 重要实验，主要考查纸带处理、用 图象法处理数据，在最近几年高考 中通过实验装置变形考查系统机械 能守恒，故在本实验中要区分是单 个物体还是系统的机械能守恒。 二、重难点提示二、重难点提示 重点：重点： 1. 掌握验证机械能守恒定律的方法； 2. 会用计算法或图象法处理实验数据。 难点：难点： 1. 能够区分单个物体还是系统机械能守恒。 2.
2、变形实验的原理分析。 基本实验要求基本实验要求规律方法总结规律方法总结 1. 实验目的实验目的 验证机械能守恒定律。 2. 实验原理实验原理 通过实验，求出做自由落体运动物体 的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 1. 误差分析误差分析 （1）测量误差）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，依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）系统误差 而验证机械能守恒定律。 3. 实验器材实验器材 打点计时器、电源、纸带、复写纸、 重物、刻度尺、铁架台（带铁夹）、导线 两根。 4. 实验步骤实验步骤 （1）
3、安装器材）安装器材 将打点计时器固定在铁架台上，用导 线将打点计时器与低压电源相连。 （2）打纸带）打纸带 用手竖直提起纸带，使重物停靠在打 点计时器下方附近，先接通电源，再松开 纸带，让重物自由下落，于是打点计时器 就在纸带上打出一系列的点，取下纸带， 换上新的纸带重打几条（35 条）纸带。 （3）选纸带）选纸带 分两种情况说明： 若选第 1 点 O 到下落到某一点的过 程，即用 mghmv2来验证，应选点迹 2 1 清晰，且 1、2 两点间距离小于或接近 2 mm 的纸带。 用mgh 验证 2 1 2 B mv 2 1 2 A mv 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
4、点，这样纸带上打出 的第 1、2 两点间的距离是否小于或接近 2 mm 就无关紧要了。 5. 实验结论实验结论 在误差允许的范围内，自由落体运动 过程机械能守恒。 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 Ek必定稍小于重力势能的减少量 2 1 2 n mv Epmghn，改进办法是调整安装的器材，尽可能地减小 阻力。 2. 注意事项注意事项 打点计时器要竖直：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； 重物应选用质量大、体积小、密度大的材料； 应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸 带让重物下落； 测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算
5、应用 vn，不能用 vn或 vngt 来计算。 T dd nn 2 11 n gd2 3. 验证方案验证方案 方案一：方案一：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范围内 2 1 2 n mv mghn和相等，则验证了机械能守恒定律。 2 1 2 n mv 方案二：方案二：任取两点计算 任取两点 A、B，测出 hAB，算出 mghAB。 算出的值。 2 1 2 B mv 2 1 2 A mv 在实验误差允许的范围内，若 mghAB 2 1 2 B mv ，则验证了机械能守恒定律。 2 1 2 A mv 方案三：方案三：图象法 从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各
6、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， 2 1 以 h 为横轴，根据实验数据作出v2h 图线。 2 1 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。 注意：注意：本实验是验证自由落体（单个物体）的机械能守恒，若要验证系统的机械能守 恒，则和本实验的最大区别在于：是否需要测量物体的质量。 例题例题 1 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、3、4、n。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_、_
7、，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（或将纸带翻转）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，用刻度尺测出物体下落的高度 h1、h2、h3hn，计算出对应的瞬时 速度 v1、v2、v3vn F. 分别算出和 mghn，在实验误差允许的范围内看是否相等 2 1 2 n mv 思路分析：思路分析：（1）要验证从第 2 点到第 6 点之间的纸带对应重物运动的过程中机械能守 恒，应测出
8、第 2 点到第 6 点的距离 h26，要计算第 2 点和第 6 点的瞬时速度 v2和 v6，必须 测出第 1 点到第 3 点之间的距离 h13和第 5 点到第 7 点之间的距离 h57，利用中间时刻速度 公式计算出 v2和 v6，机械能守恒的表达式为 mgh26mv62mv22。 2 1 2 1 （2）实验操作顺序为 ADBCEF。 答案：答案：（1）第 2 点到第 6 点之间的距离 h26 第 1 点到第 3 点之间的距离 h13 第 5 点到第 7 点之间的距离 h57 第 2 点的瞬时速度 v2 第 6 点的瞬时速度 v6 mgh26mv62mv22 2 1 2 1 （2）ADBCEF
9、例题例题 2 用如图 1 所示的实验装置验证 m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静 止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械 能守恒定律。如图 2 给出的是实验中获取的一条纸带：0 是打下的第一个点，每相邻两计 数点间还有 4 个点（图中未标出） ，计数点间的距离如图所示。已知 m150 g、m2150 g，则：（结果均保留两位有效数字） 图 1 图 2 （1）在纸带上打下计数点 5 时的速度 v_m/s； （2）在打下第“0”到打下第“5”点的过程中，系统动能的增量 Ek_ J， 系统势能的减少量 Ep_J；（取当地的重力加速度 g10 m/
10、s2） （3）若某同学作出v2h 图象如图 3 所示，则当地的重力加速度 1 2 g_m/s2。 （所有结果保留三位有效数字） 图 3 思路分析思路分析：（1）利用点 4 和点 6 之间的中间时刻速度计算，有 5 v v5 m/s2.40 m/s 2 (21.6026.40) 10 0.1 2 （2）Ek（m1m2）v200.58 J 1 2 Epm2ghm1gh0.60 J （3）由动能定理（m2m1）gh（m1m2）v2可得 1 2 2 2 v 21 12 ()mm gh mm 即图象的斜率 k 21 12 ()mm g mm 5.82 1.20 解得 g9.70 m/s2 答案：答案：（
11、1）2.4 （2）0.58 0.60 （3）9.70 例题例题 3 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，x 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作滑块通过 B 点时的瞬时速度，用 g 表示重力加速度。 完成下列填空
12、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，则与 x 的关系式为_。 2 1 t 2 1 t （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 x 与 t 值。结果如下表所示： 12345 x（m）0.6000.8001.0001.2001.400 t（ms）8.227.176.445.855.43 1/t2（104 s2）1.481.952.412.923.39 以 x 轴为横坐标，为纵坐标，在如图所示坐标纸中描出第
13、1 个和第 5 个数据点（其 2 1 t 余 3 个点已作出） ；根据 5 个数据点作直线，求得该直线的斜率 k_104 m1s2（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x 直线的斜率 k0，将 k 和 k0进行比较， 2 1 t 若其差值在实际允许的误差范围内，则可认为此实验验证了机械能守恒定律。 思路分析：思路分析：（1）当 M 沿斜面向下运动的距离为 x 时，下落的高度为 h，则， h d h x 所以，系统重力势能的减少量 EpMghmgx，动能的增加量 h hx d () Mgh mg x d ，v，所以 Ek （Mm），根据机械能守恒，有 2
14、1 () 2 k EMm v t b 2 1 2 2 t b EpEk，即，所以； 2 2 1 ()() 2 Mghb mg xMm dt 22 12() () Mghmgd x tMm b d （2）如图所示，x 图象是一条倾斜直线，取直线上相距较远的两点计算斜率可得 2 1 t k2.43104 m1s2。 答案：答案：（1） () Mgh mg x d 2 2 1 () 2 b Mm t 2 2() () Mghmgd x Mm b d （2）图象见思路分析图 2.43（2.302.60 均可） 【方法提炼方法提炼】力学实验原理与方法的迁移应用 找原型 把课本中的实验原型或者相关的物理理
15、论知识在头脑中完整、准确地重现出来。 找差别 将实验中所给器材与实验原型中器材进行对比，看一下少了什么器材或什么器 材的量程不满足要求，再看一下“多给”了什么器材，注意“多给”的器材往往就 是解决问题的关键。 析原理 要根据题意，认真分析题目所提供的该实验的原理是什么，思考通过怎样的方 法、手段、步骤达到该实验的目的，并与实验原型相比较，找出达到实验目的的方 法。 重方法对于实验数据处理的方法基本是固定不变的，注意借鉴使用。 满分训练：满分训练：如图所示，两个质量分别为 m1和 m2的物块 A 和 B，分别系在一条跨过定 滑轮的软绳两端（m1m2） ，1、2 是两个光电门。用此装置验证机械能守恒定律。 （1）实验中除了记录物块 B 通过两光电门时的速度 v1、v2外，还需要测量的物理量 是_。 （2）用已知量和测量量写出验证机械能守恒的表达式 _。 思路分析：思路分析：通过实验装置可以判断，B 在 A 的牵引下向上运动，依次通过光电门 1 和 光电门 2，故实验是验证 AB 两物体组成的系统机械能是否守恒。两物块运动过程中，若 系统的机械能守恒，则有 m1ghm2gh（m1m2） （v22v12）
