世纪金榜·2016高考物理一轮配套课件：实验06-验证机械能守恒定律

1、实验六验证机械能守恒定律实验目的和器材实验目的和器材实验实验目的目的验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律实验实验器材器材铁架台铁架台( (含铁夹含铁夹) )、打点计时器、学生电源、纸带、打点计时器、学生电源、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、重物复写纸、导线、毫米刻度尺、重物( (带纸带夹带纸带夹) )。实验原理实验原理1.1.在只有重力做功的自由落体运动中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物体的重力势能和动能互相转化, ,但但总的机械能保持不变。若物体某时刻瞬时速度为总的机械能保持不变。若物体某时刻瞬时速度为v,v,下落高度为下落高度为h,h,则重力势则重力势能的

2、减少量为能的减少量为mghmgh, ,动能的增加量为动能的增加量为 看它们在实验误差允许的范围内看它们在实验误差允许的范围内是否相等是否相等, ,若相等则验证了机械能守恒定律。若相等则验证了机械能守恒定律。2.2.计算打第计算打第n n个点时速度的方法：如图所示个点时速度的方法：如图所示, ,由公式可得第由公式可得第n n个点的速度个点的速度21mv ,2n 1n 1nhhv2T。【实验过程】【实验过程】一、实验步骤一、实验步骤1.1.安装置：按图示将调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上安装置：按图示将调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上, ,接好接好电路。电路。2.2.打纸带：将纸带的一端用

3、夹子固定在重物上打纸带：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。先接通电源通电源, ,后松开纸带后松开纸带, ,让重物带着纸带自由下落让重物带着纸带自由下落, ,更换纸带重复做更换纸带重复做3 35 5次实验。次实验。3.3.选纸带：在打好点的纸带中挑选点迹清晰的一条纸带选纸带：在打好点的纸带中挑选点迹清晰的一条纸带, ,在起点标上在起点标上O,O,以后各点依次标上以后各点依次标上1 1、2 2、3 3、4 4、用刻度尺测出对应下落高度用刻度尺测出

4、对应下落高度h h1 1、h h2 2、h h3 3、h h4 4二、数据处理二、数据处理方法一：利用起始点和第方法一：利用起始点和第n n点计算。点计算。代入代入mghmghn n和和 如果在实验误差允许的条件下如果在实验误差允许的条件下mghmghn n和和 相等相等, ,则验证了机械能守恒定律。则验证了机械能守恒定律。2n1mv2，2n1mv2方法二：任取两点计算。方法二：任取两点计算。(1)(1)任取两点任取两点A A、B B测出测出h hABAB, ,算出算出mghmghABAB。(2)(2)算出算出 的值。的值。(3)(3)在实验误差允许的条件下在实验误差允许的条件下, ,若若mg

5、hmghABAB= = 成立成立, ,则验证则验证了机械能守恒定律。了机械能守恒定律。22BA11mvmv2222BA11mvmv22方法三：采用图像法。方法三：采用图像法。从纸带上选取多个点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测量从第一点到其余各点的下落高度h,h,并计算并计算各点速度的平方各点速度的平方v v2 2, ,然后以然后以 v v2 2为纵轴为纵轴, ,以以h h为横轴为横轴, ,根据实验数据绘出根据实验数据绘出 v v2 2-h-h图线。若在误差允许的范围内图线是一条过原点且斜率为图线。若在误差允许的范围内图线是一条过原点且斜率为g g的的直线直线, ,则验

6、证了机械能守恒定律。则验证了机械能守恒定律。1212【误差分析】【误差分析】误差误差产生原因产生原因减小方法减小方法偶然偶然误差误差测量长度带来的测量长度带来的误差误差(1)(1)测量距离时就应从计数测量距离时就应从计数0 0点量起点量起, ,且选且选取的计数点离取的计数点离0 0点远些点远些(2)(2)多次测量取平均值多次测量取平均值系统系统误差误差重物和纸带下落重物和纸带下落过程中存在阻力过程中存在阻力(1)(1)打点计时器安装稳固打点计时器安装稳固, ,并使两限位孔并使两限位孔在同一竖直线上在同一竖直线上, ,以减小摩擦阻力以减小摩擦阻力(2)(2)选用质量大、体积小的物体作重物选用质量

7、大、体积小的物体作重物, ,以减小空气阻力的影响以减小空气阻力的影响【注意事项】【注意事项】1.1.安装打点计时器时要竖直架稳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使其两限位孔在同一竖直线上以减小摩擦阻力。小摩擦阻力。2.2.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。响。3.3.应先接通电源应先接通电源, ,让打点计时器正常工作后让打点计时器正常工作后, ,再松开纸带让重物下落。再松开纸带让重物下落。4.4.纸带长度选用纸带长度选用60cm60cm左右为宜左右为宜, ,应选用点迹清晰的纸带进行

8、测量。应选用点迹清晰的纸带进行测量。5.5.速度不能用速度不能用v vn n=gt=gtn n计算计算, ,因为只要认为加速度为因为只要认为加速度为g,g,机械能当然守恒机械能当然守恒, ,即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律。况且用即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律。况且用v vn n=gt=gtn n计算计算出的速度比实际值大出的速度比实际值大, ,会得出机械能增加的结论会得出机械能增加的结论, ,而因为摩擦阻力的影而因为摩擦阻力的影响响, ,机械能应该减小机械能应该减小, ,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

9、高度重物下落的高度h,h,也只能用毫米刻度尺直接测量也只能用毫米刻度尺直接测量, ,而不能用而不能用h hn n= = 或或h hn n= gt= gt2 2计算得到。计算得到。6.6.本实验不必称出重物质量。本实验不必称出重物质量。2nv2g12【实验改进】【实验改进】1.1.物体的速度可以用光电计时器测量物体的速度可以用光电计时器测量, ,以减小由于测量和计算带来的以减小由于测量和计算带来的误差。误差。2.2.整个实验装置可以放在真空的环境中操作整个实验装置可以放在真空的环境中操作, ,如用牛顿管和频闪照相如用牛顿管和频闪照相进行验证进行验证, ,以消除由于空气阻力作用而带来的误差。以消除

10、由于空气阻力作用而带来的误差。3.3.可以利用气垫导轨来设计该实验可以利用气垫导轨来设计该实验, ,以减小由于摩擦带来的误差。以减小由于摩擦带来的误差。4.4.为防止重物被释放时的初速度不为零为防止重物被释放时的初速度不为零, ,可将装置改成如图所示形式可将装置改成如图所示形式, ,剪断纸带最上端剪断纸带最上端, ,让重物从静止开始下落。让重物从静止开始下落。热点热点1 1 对实验数据处理对实验数据处理和误差分析的考查和误差分析的考查【例证【例证1 1】(2013(2013海南高考海南高考) )某同学用图甲所示的实验装置验证机械某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。已知打点计时器所用电

11、源的频率为能守恒定律。已知打点计时器所用电源的频率为50Hz,50Hz,当地重力加速当地重力加速度大小为度大小为g=9.80m/sg=9.80m/s2 2。实验中该同学得到的一条点迹清晰的完整纸带。实验中该同学得到的一条点迹清晰的完整纸带如图乙所示如图乙所示, ,纸带上的第一个点记为纸带上的第一个点记为O,O,另选连续的三个点另选连续的三个点A A、B B、C C进行进行测量测量, ,图中给出了这三个点到图中给出了这三个点到O O点的距离点的距离h hA A、h hB B和和h hC C的值。回答下列问的值。回答下列问题题( (计算结果保留计算结果保留3 3位有效数字位有效数字) )：(1)(

12、1)打点计时器打打点计时器打B B点时点时, ,重物速度的大小重物速度的大小v vB B= =m/s;m/s;(2)(2)通过分析该同学测量的实验数据通过分析该同学测量的实验数据, ,他的实验结果是否验证了机械能他的实验结果是否验证了机械能守恒定律守恒定律? ?简要说明分析的依据。简要说明分析的依据。【解题探究】【解题探究】(1)B(1)B点速度大小的求解思路：点速度大小的求解思路：原理：匀变速直线运动的物体在一段时间内的中间时刻的瞬时速度原理：匀变速直线运动的物体在一段时间内的中间时刻的瞬时速度等于等于_。公式：公式：v vB B=_=_。CAhhf2该段时间内的平均速度该段时间内的平均速度

13、(2)(2)通过实验数据怎样验证机械能守恒定律通过实验数据怎样验证机械能守恒定律? ?提示：提示：在误差允许的范围内在误差允许的范围内, ,如果如果mghmghB B和和 的大小近似相等的大小近似相等, ,即即验证了机械能守恒定律。验证了机械能守恒定律。2B1mv2【解析】【解析】(1)(1)打点计时器打打点计时器打B B点时重物速度的大小点时重物速度的大小v vB B= =3.90m/s= =3.90m/s(2) =7.61(m/s)(2) =7.61(m/s)2 2,gh,ghB B=7.70(m/s)=7.70(m/s)2 2, ,因为因为 mghmghB B, ,近似验证近似验证了机械

14、能守恒定律了机械能守恒定律, ,或由或由 mghmghB B得出其他合理的结论也可以。得出其他合理的结论也可以。答案：答案：(1)3.90(1)3.90(2)(2)见解析见解析2CAhhf86.5970.991050 m/s222B1mv22B1mv22B1mv2热点热点2 2 对实验的迁移应用的考查对实验的迁移应用的考查【例证【例证2 2】(2014(2014广东高考广东高考) )某同学根据机械能守恒定律某同学根据机械能守恒定律, ,设计实验探设计实验探究弹簧的弹性势能与压缩量的关系究弹簧的弹性势能与压缩量的关系, ,(1)(1)如图甲如图甲, ,将轻质弹簧下端固定于铁架台将轻质弹簧下端固定

15、于铁架台, ,在上端的托盘中依次增加在上端的托盘中依次增加砝码砝码, ,测量相应的弹簧长度测量相应的弹簧长度, ,部分数据如下表部分数据如下表, ,由数据算得劲度系数由数据算得劲度系数k=k=N/mN/m。(g(g取取9.80m/s9.80m/s2 2) )砝码质量砝码质量/g/g5050100100150150弹簧长度弹簧长度/cm/cm8.628.627.637.636.666.66(2)(2)取下弹簧取下弹簧, ,将其一端固定于气垫导轨左侧将其一端固定于气垫导轨左侧, ,如图乙所示如图乙所示; ;调整导轨调整导轨, ,使滑块自由滑动时使滑块自由滑动时, ,通过两个光电门的速度大小通过两个

16、光电门的速度大小。(3)(3)用滑块压缩弹簧用滑块压缩弹簧, ,记录弹簧的压缩量记录弹簧的压缩量x;x;释放滑块释放滑块, ,记录滑块脱离弹记录滑块脱离弹簧后的速度簧后的速度v,v,释放滑块过程中释放滑块过程中, ,弹簧的弹性势能转化为弹簧的弹性势能转化为。(4)(4)重复重复(3)(3)中的操作中的操作, ,得到得到v v与与x x的关系如图丙的关系如图丙, ,由图可知由图可知,v,v与与x x成成关系。由上述实验可得结论：对同一根弹簧关系。由上述实验可得结论：对同一根弹簧, ,弹性势能与弹弹性势能与弹簧的簧的成正比。成正比。【解题探究】【解题探究】(1)(1)胡克定律的推导式胡克定律的推导

17、式_。(2)(2)弹簧的弹性势能与滑块的动能是如何转化的弹簧的弹性势能与滑块的动能是如何转化的? ?提示：提示：弹性势能转化为滑块的动能。弹性势能转化为滑块的动能。(3)(3)实验操作中如何用作图法处理实验数据实验操作中如何用作图法处理实验数据? ?提示：提示：若关系图像是一条过原点的倾斜直线若关系图像是一条过原点的倾斜直线, ,则二者成正比关系。则二者成正比关系。F=kxF=kx【解析】【解析】(1)(1)根据胡克定律根据胡克定律F=kxF=kx得：得：F F1 1=k(L=k(L0 0-L-L1 1) )F F2 2=k(L=k(L0 0-L-L2 2),),有有F=FF=F2 2-F-F

18、1 1=k(L=k(L1 1-L-L2 2) )则则k= =49.5N/m,k= =49.5N/m,同理可得同理可得k= =50.5N/m,k= =50.5N/m,则劲度系则劲度系数为数为 =50.0N/m=50.0N/m2112FF0.980.490.49 N / m N / mLL0.086 20.076 30.009 93223FF1.470.980.49 N / m N / mLL0.076 30.066 60.009 7kkk2 (2)(2)滑块自由滑动时滑块自由滑动时, ,滑块通过两个光电门的速度大小相等滑块通过两个光电门的速度大小相等, ,说明滑块说明滑块做匀速直线运动做匀速直线运动, ,导轨是水平的导轨是水平的, ,