《2020版高考物理一轮复习 第5章 实验6 验证机械能守恒定律教学案 新人教版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2020版高考物理一轮复习 第5章 实验6 验证机械能守恒定律教学案 新人教版（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验六验证机械能守恒定律1实验目的验证机械能守恒定律。2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，则其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)速度的测量：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间的平均速度vt2t。计算打第n个点瞬时速度的方法是：测出第n个点的相邻前后两段相等时间T内下落的距离xn和xn1，由公式vn或vn算出，如图所示。3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
2、刻度尺、重物(带纸带夹)。4实验步骤(1)仪器安装将检查、调整好的打点计时器按如图所示装置图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：如果根据mv2mgh验证时，应选点迹清晰，打点成一条直线，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。如果根据mvmvmgh验证时
3、，由于重物重力势能的变化是绝对的，处理纸带上的数据时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第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。5数据处理(1)求瞬时速度由公式vn可以计算出重物下落h1、h2、h3的高度时对应的瞬时速度v1、v2、v3(2)验证守恒方法一：利用起始点和第n点计算。将实验数据代入ghn和v，如果在实验误差允许的范围内，ghnv，则验证了机械能守恒定律。方法二：任取两点A、B测出hAB，算出ghAB和的值，如果在实验误差允许的范围内，ghABvv，则验证了机械能守恒定律。方法三：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
4、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。6误差分析(1)系统误差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、打点计时器阻力)做功，故重物动能的增加量Ek稍小于其重力势能的减少量Ep，即EkEp，这属于系统误差，改进的方法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。(2)偶然误差本实验的另一个误差来源于长度的测量，属于偶然误差。减小误差的方法是测下落距离时都从O点测量时，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。7注意事项(1)应尽可能控制实验条件，
5、即应满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力。应选用质量和密度较大的重物，增大其重力可使阻力的影响相对减小，增大其密度可以减小体积，可使空气阻力减小。(2)实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直，接通电源后，打点计时器工作稳定后再松开纸带。(3)验证机械能守恒时，可以不测出重物质量，只要比较v和ghn大小是否相等即可验证机械能是否守恒。(4)测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长，有效长度可在60 cm80 cm之间。(5)速度不能用vngtn
6、或vn计算，否则犯了用机械能守恒定律验证机械能守恒定律的错误。考点一| 实验原理与操作本实验是利用自由落体运动验证机械能守恒定律，测出物体下落的高度及初、末位置的速度是实验的关键，操作上注意三点：(1)重物要靠近打点计时器。(2)纸带要保持竖直。(3)先接通电源再放开纸带。1(2016全国卷)某同学用图(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz。打出纸带的一部分如图(b)所示。(a)(b)该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他题给条件进行推算。(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图
7、(b)中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为_，打出C点时重物下落的速度大小为_，重物下落的加速度大小为_。(2)已测得s18.89 cm，s29.50 cm，s310.10 cm；当地重力加速度大小为9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%。由此推算出f为_Hz。解析：(1)重物匀加速下落时，根据匀变速直线运动的规律得vBf(s1s2)vCf(s2s3)由s3s12aT2得a。(2)根据牛顿第二定律，有mgkmgma根据以上各式，化简得f代入数据可得f40 Hz。答案：(1)f(s1s2)f(s2s3)f2(s3s1)(2)402在利用自
8、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、4n。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_、_，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先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落C取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)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，用刻度尺测出重物下落的高度h1、h2、h3hn，计算出对应的瞬时速度v1、v2、v3vnF分别算出mv和mghn，
9、在实验误差允许的范围内看是否相等解析：(1)要验证从第2点到第6点之间的纸带对应重物的运动过程中机械能守恒，应测出第2点到第6点的距离h26，要计算第2点和第6点的速度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，机械能守恒的表达式为mgh26mvmv。(2)实验操作顺序为ADBCEF。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v6mgh26mvmv(2)ADBCEF考点二| 实验数据处理与分析1速度计算计算速度必须用v，要注意两个误区：(1)本实验要验证机械能
10、守恒定律，不能用该定律的推导式v求速度。(2)要用实验数据求速度，不能用理论推导式vgt求速度。2系统误差由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，重物减少的重力势能大于其增加的动能。1某个小组的三位同学按照正确的操作选得纸带如图所示。其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点。该同学用毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离，用重物在OB段的运动来验证机械能守恒，已知当地的重力加速度g9.80 m/s2，打点计时器所用电源频率为f50 Hz，设重物质量为1.00 kg。(1)甲同学发现，图中的B是除起始点外打点计时器打下的第n个点。因此他用vBngT(T是打点计时器的打点周期)计算B
11、点对应时刻重物的速度，这样得到的结果是重物重力势能的减少量_其动能的增加量(选填“大于”“小于”或“等于”)。(2)乙同学认为，可以利用O点到B点的距离hB计算B点对应时刻重物的速度vB，这样得到的结果是重物重力势能的减少量_其动能的增加量(选填“大于”“小于”或“等于”)。(3)丙同学用AC段的平均速度作为跟B点对应的重物的瞬时速度，若hA9.51 cm，hB12.42 cm，hC15.70 cm，则丙同学算得该段重物重力势能的减少量为_J，而其动能的增加量为_J(计算结果保留3位有效数字)，这样得到的结果是重物重力势能的减少量_其动能的增加量(选填“大于”“小于”或“等于”)。(4)你认为
12、三个同学的数据处理方法中较合理的是_(选填“甲”“乙”或“丙”)。解析：甲同学用vBngT求得的速度vB为理论值，但由于实验中存在阻力，重物实际下落的高度比理论上在nT时间内下落的小，故造成其重力势能的减少量小于其动能的增加量，乙同学用机械能守恒定律验证机械能守恒，故得到的重物重力势能的减少量等于其动能的增加量。在丙同学的验证中，重物重力势能的减少量EpmghB1.22 J；vB1.55 m/s，故其增加的动能Ekmv11.552 J1.20 J，由于实验中阻力做功，使得重物重力势能的减少量略大于其动能的增加量，丙同学的数据处理方法较合理。答案：(1)小于(2)等于(3)1.221.20大于(
13、4)丙2利用如图所示装置做“验证机械能守恒定律”的实验。(1)实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图所示的一条纸带。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_，其动能变化量Ek_。(2)大多数学生的实验结果显示，重物重力势能的减少量大于其动能的增加量，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C存在空气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(3)某同学想用下述方法验证机械能是否守恒：在纸带上选取
14、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依据是否正确。解析：(1)从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能减少mghB，变化量为mghB；打B点的速度vB，动能Ek，联立解得Ekm，故动能变化量EkEk0m。(2)由于存在空气阻力和摩擦阻力的影响，导致重力势能的减少量大于动能的增加量，产生系统误差，多次实验取平均值无法消除系统误差，故选项C对。(3)在重物下落h的过程中，若阻力f恒定，由动能定理得mghfh，解得v22h，故v2h图象是一条过原点的直线，但还要看图线的斜率在误差允许的范围内是否接近2g，才能判断重物下落过程中机械能守恒。答案：(1)mghBm(2)C(3)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，根据动能定理得mghfhmv20，则v22h，可知v2h图象就是一条过原点的直线。要想通过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考点三| 实
