（浙江选考）2020版高考物理一轮复习 实验6 验证机械能守恒定律课件

1、实验实验6 6验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律 一 实验目的 三 实验器材 四 实验步骤 五 数据处理 教教 材材 研研 读读 六误差分析 七 注意事项 二 实验原理 考点一 实验原理与实验操作 考点二 实验数据处理与误差分析 考点三 实验拓展与实验创新 考考 点点 突突 破破 一、实验目的一、实验目的 验证机械能守恒定律。 二、实验原理二、实验原理 教材研读 1.在自由落体运动中,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 1 2量为mgh,动能的增加量为mv 2,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

2、械能守恒定律。 2.计算打第n个点时速度的方法:如图所示,测出第n个点与前后相邻点间 的距离xn和xn+1,由公式vn=算出,或测出0到第n-1个点与0到 第n+1个点之间的距离hn-1和hn+1,由公式vn=算出。 1 2 nn xx T 11 2 nn hh T 三、实验器材三、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、刻 度尺、重物(带夹子)。 四、实验步骤四、实验步骤 1.安装置安装置:按图将调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。 2.打纸带打纸带:将纸带的一端通过夹子与重物相连,另一端穿过打点计时器的 限位孔用手提着,使重物静止在靠近打点计时器的

3、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.选纸带选纸带:分两种情况说明。 (1)用mgh=mv2验证时,应选点迹清晰,且第1、2两点间距离接近2mm 的纸带。 1 2 (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,这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2mm就无 关紧要了,只要后面的点迹清晰就可选用。 五、数据处理五、数据处理 1 2 2 B v 1 2 2 A v 1.数据处理数据处理:在起始点标上0,在以后各点依次标上1、2、3,用刻度尺 测出对应下落高度h1、h2、h3。 利用公式vn=计算出打

4、点1、2、3时的瞬时速度v1、v2、v3。 11 2 nn hh T 2.验证验证 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 的范围内ghn=,则机械能守恒定律是正确的。 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。 1 2 2 n v 1 2 2 n v 1 2 2 B v 1 2 2 A v (3)若在实验误差允许的范围内ghAB=-,则机械能守 恒定律是正确的。 方法三:图像法。从纸带上选取多个点,测量从起始点到其余各点的下 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

5、线。若在实验误差允许的范围内图像是一条过 原点且斜率等于g的直线,则机械能守恒定律是正确的。 1 2 2 B v 1 2 2 A v 1 2 1 2 六、误差分析六、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,所打 各点对应的下落高度均用刻度尺一次测出,二是多测几次取平均值。 2.系统误差系统误差: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Ek=m必定稍小于重力势能的减少量Ep=mghn,改进办法 是调整安装的器材,尽可能地减小阻力。 1 2 2 n v 七、注意事项七、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平面内,

6、以减 少摩擦阻力。 2.应选用质量大、体积小的重物。 3.应先接通电源,让打点计时器正常工作后,再松开纸带让重物下落。 4.测重物下落的高度h应用刻度尺直接测量,计算某时刻的瞬时速度时 应用vn=,不能用vn=或vn=gt来计算。 11 2 nn hh T 2 n gh 考点一实验原理与实验操作考点一实验原理与实验操作 考点突破 1.打点计时器要竖直打点计时器要竖直: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。 2.重物密度要大重物密度要大:重物应选用质量大、体积小的。 3.一先一后一先一后: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。 4.测长度测

7、长度,算速度算速度:某时刻的瞬时速度的计算应用vn=,不能用vn= 或vn=gt。 11 2 nn hh T 2 n gh 例例1如图所示,打点计时器固定在铁架台上,使重物带动纸带从静止开 始下落,利用此装置验证机械能守恒定律。 (1)(多选)对于该实验,下列操作中对减小实验 误差有利的是。 A.重物选用质量和密度较大的金属锤 B.两限位孔在同一竖直面内上下对正 C.精确测量出重物的质量 D.用手托稳重物,接通电源后,撤手释放重物 (2)(多选)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz的交流电源 上,按正确操作得到了一条完整的纸带,由于纸带较长,图中有部分未画 出,如图所示。纸带上各点是

8、打点计时器打出的计时点,其中O点为纸带 上打出的第一个点。重物下落高度及纸带上计时点间的距离直接测出, 利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有。 A.OA、AD和EG的长度B.OC、BC和CD的长度 C.BD、CF和EG的长度D.AC、BD和EG的长度 答案答案(1)AB(2)BC 解析解析本题考查“验证机械能守恒定律”实验。 (1)选用质量和密度较大的金属锤,可保证下落过程中纸带竖直不松弛, 同时可减小金属锤下落过程中所受阻力对实验的影响;上下限位孔对 正,可减小摩擦;本实验中要验证mv2=mgh,即验证v2=2gh,不用测量重物 的质量;实验时用手抓紧纸带上端,接通电源,打点计时器

9、工作稳定后,再 松手释放纸带,不应用手托住重物。 (2)本实验中,需要计算某点的瞬时速度并测出从起始点到该点的距离,或者 计算出某两点的瞬时速度并测出其间距,符合要求的选项有B、C。 1 2 变式变式1用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电 源为学生电源,可输出电压为6V的交流电和直流电。重锤从高处由静 止开始下落,重锤上拖着的纸带上打出一系列的点,对图中纸带上的点 痕间距进行测量,即可验证机械能守恒定律。 (1)下面列举了该实验的几个操作步骤: A.按照图示的装置安装器件 B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上 C.用天平测出重锤的质量 D.先接通电源,后释放纸带,打出一条纸

10、带 E.测量纸带上某些点间的距离 F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加 的动能 其中没有必要进行的步骤是,操作不当的步骤是。 (2)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值。根据打出的 纸带,选取纸带上的连续的五个点A、B、C、D、E,测出各点之间的距 离如图所示,使用电源的频率为f,则计算重锤下落的加速度的表达式a= 。(用x1、x2、x3、x4及f表示)。 答案答案(1)CB(2) 2 3412 () 4 xxxxf 解析解析(1)步骤C没有必要进行。重锤的质量不需要测量,因为等式mgh =mv2两边把质量约掉了;打点计时器使用的是低压交流电源,所以步骤 B

11、操作不当。 (2)为了减小实验误差,可以采用逐差法求加速度,x4-x2=2aT2,x3-x1=2aT2, 所以由以上两式得 a=。 1 2 2 3412 () 4 xxxxf 考点二实验数据处理与误差分析考点二实验数据处理与误差分析 数据处理的方法数据处理的方法 方法一:用mv2=mgh验证时,利用起始点和第n点计算。 方法二:用m-m=mgh验证时,任取两点计算。 方法三:图像法。从纸带上选取多个点,测量从起始点到其余各点的下 落高度h,并计算各点速度的平方v2,然后绘出v2-h图线。 1 2 1 2 2 B v 1 2 2 A v 1 2 例例2在“验证机械能守恒定律”实验中,实验桌上已有

12、铁架台,纸带,重 锤(带夹子),刻度尺等实验器材。 (1)要能完成实验还需一个不可缺少的器材,它是 。 (2)如图所示是某次实验中得到的纸带及刻度尺的照片,已知打点计时 器每隔0.02s打一个点,请读出“1”计数点对应的刻度值:cm; “2”计数点对应的重锤瞬时速度大小为m/s(计算结果保留 两位有效数字)。 (3)实验中重锤的质量m=0.5kg,重力加速度g=9.8m/s2,v2、v6为“2”、 “6”计数点对应的重锤瞬时速度大小,h26为“2”、“6”两计数点的 间距,则能否只利用该条纸带的数据,通过等式m=m-mgh26是否 成立来验证机械能守恒?答:(填“能”或“不能”)。 1 2 2

13、 6 v 1 2 2 2 v 答案答案(1)打点计时器、电磁打点计时器、电火花计时器均可 (2)1.20、1.21、1.22均可0.87、0.88均可(3)不能 解析解析(1)要能完成实验还需一个不可缺少的器材,它是打点计时器(电 磁打点计时器,电火花计时器均可) (2)读出“1”计数点的值1.20cm,“2”计数点对应的重锤瞬时速度大 小为v2=m/s=0.88m/s; (3)若机械能守恒,则应该满足m-m=mgh26,故不能通过m=m -mgh26是否成立来验证机械能守恒。 13 2 x T 2 (4.70 1.20) 10 0.04 1 2 2 6 v 1 2 2 2 v 1 2 2 6

14、 v 1 2 2 2 v 变式变式2如图1所示是利用自由落体运动进行“验证机械能守恒定律” 的实验装置,所用的打点计时器通以50Hz的交流电。 (1)甲同学按照正确的实验步骤操作后,选出一条纸带如图2所示,其中O 点为重物刚要下落时打点计时器打下的第一个点,A、B、C为三个计数点, 用刻度尺测得OA=12.41cm,OB=18.60cm,OC=27.21cm,在计数点A和B、B 和C之间还各有一个点。已知重物的质量为1.00kg,取g=9.8m/s2。在OB段运 动过程中,重物重力势能的减少量Ep=J,重物的动能增加量Ek= J(结果均保留三位有效数字)。 (2)该实验没有考虑各种阻力的影响,

15、这属于本实验的误差(选 填“偶然”或“系统”)。由此可知,甲同学数据处理的结果比较合理 的应当是EpEk(选填“大于”、“等于”或“小于”)。 (3)乙同学想利用该实验装置测定当地的重力加速度。他打出了一条纸 带后,利用纸带测量出了各计数点到打点计时器打下的速度为零的点的 距离h,算出了各计数点对应的速度v,以h为横轴,以v2为纵轴画出了如 图3所示的图线。由于图线没有过原点,他又检查了几遍,发现测量和计 1 2 算都没有出现问题,其原因可能是:。 乙同学测出该图线的斜率为k,如果不计一切阻力,则当地的重力加速度 gk(选填“大于”、“等于”或“小于”)。 (4)丙同学利用该实验装置又做了其他

16、探究实验,分别打出了标号为、 、的4条纸带,其中只有一条是做“验证机械能守恒定律”的实验时 打出的。为了找出该纸带,丙同学在每条纸带上取了点迹清晰的、连续的4 个点,用刻度尺测出相邻两个点间的距离依次为x1、x2、x3。请你根据下列x1、 x2、x3的测量结果确定该纸带为(选填标号)。 填标号)。 6.13cm,6.52cm,6.91cm 6.05cm,6.10cm,6.15cm 4.12cm,4.51cm,5.30cm 6.10cm,6.58cm,7.06cm 答案答案(1)1.821.71(2)系统大于(3)先释放重物再接通打点计时 器等于(4) 解析解析(1)当打点计时器打B点时,重物的

17、重力势能比开始下落时减少了 Ep=mgh=1.009.800.1860J1.82J。B点的瞬时速度等于AC段的平 均速度,vB=m/s=1.85m/s,则重物动能的增加量Ek= m=1.001.852J1.71J。 (2)该实验没有考虑各种阻力的影响,这属于本实验的系统误差;由于重 物及纸带受摩擦阻力、空气阻力,故实验结果比较合理的是Ep大于Ek。 4 AC x T 0.2721 0.1241 0.08 1 2 2 B v 1 2 (3)根据mgh=mv2得:v2=gh,可知v2-h图线应该是一条过原点的直线, 该图线的斜率为k=g,得到的图线不过原点,由题图3可知,下落高度为零 时,动能的增

18、量不为零,故在操作中是先释放重物,再接通打点计时器。 (4)“验证机械能守恒定律”实验中,纸带上打出的点相邻两位移间位 移之差等于gt2=9.8(0.02)2m3.9mm;中位移之差分别为3.9mm,3.9 mm;中位移之差分别为5mm,5mm;中位移之差分别为3.9mm,7.9 mm;中位移之差分别为4.8mm,4.8mm;故符合条件的为。 1 2 1 2 1 2 考点三实验拓展与实验创新考点三实验拓展与实验创新 例例3如图所示的装置可用来验证机械能守恒定律。摆锤A拴在长为L 的轻绳一端,另一端固定在O点,在摆锤上放一个小铁片,现将摆锤拉起, 使绳偏离竖直方向成角时由静止释放摆锤,当其到达最低位置时,受到 竖直挡板P阻挡而停止运动,之后铁片将飞离摆锤而做平抛运动。 (1)为了验证摆锤在运动中机械能守恒,必须求出摆锤在最低点的速度。为 了求出这一速度,实验中还应该测得的物理量是 。 (2)根据测得的物理量表示摆锤在最低点的速度v= 。 (3)根据已知的和测量的物理量,写出摆锤在运动中机械能守恒的关系 式为。 答案答案(1)铁片竖直下落的高度h和水平位移s (2)s(3)=gL(1-cos) 2 g h 2 4 gs h 解析解析(1)(2)根据铁片做平抛运动有s=vt