2019年高考物理一轮复习第5章机械能及其守恒定律实验6验证机械能守恒定律学案新人教版

1、实验六验证机械能守恒定律实验要点梳理I :、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12的增加量为1mV，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.Xt/p2 .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Vt=v2t.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Xn+Xn + 1hn+ 1hn 1的距离Xn和Xn+1,由公式Vn= I 或Vn=-2j算出，如

2、图实-6-1 所示.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 .仪器安装按图实-6-2 所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路.（对应学生用书第 97 页）铁架台（含铁夹）、三、实验器材图实-6-1图实-6-21132 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12(1) 如果根据 2mv=mgh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

3、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.1212-.e(2) 如果根据mB-mA=mgA h验证时，由于重力势能的变化是绝对的，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 2 mm就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用.五、 数据处理1.求瞬时速度A .hn+ 1hn1由公式vn= 2T一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/1方法一：利用起始点和第n点计算，代入ghn和-v2，如

4、果在实验误差允许的范围内，21ghn=,n,则说明机械能守恒定律是正确的.21212方法二：任取两点A B测出hAB,算出ghAB和2VB-VA的值，如果在实验误差允许2 21212厶一的范围内，ghAB=QVBQVA,则说明机械能守恒定律是正确的.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度h,21212并计算各点速度的平方V2,然后以 2V2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出？V2-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g的直线，则验证了机械能守恒.六、 误差分析41 .系统误差本实验中因重锤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

5、)做功，故动能的增加量 Ek稍小于重力势能的减少量 巳，即 &巳，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0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.七、注意事项1应尽可能控制实验条件，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：(1) 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.(2) 应选用质量和密度较大的重锤，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力减小.2

6、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.123 .验证机械能守恒时，可以不测出重锤质量，只要比较QVn和ghn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Vn=gtn或Vn=2ghn计算，否则犯了用机械能守恒定律验证机械能守恒的错误实验关键突破|倉题点关饉点创新点逐-攻克(对应学生用书第 98 页)考点一 |实验原理与操作川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

7、为 0,123,4仃!为F忙*单位：min；“2J!4_川)图实-6-3(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5_ 、_ 、_ ，必须计算出的物理量为 _ 、_，验证的表达式6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，用刻度尺测出物体下落的高度hi,h2,h3,hn,计算出对应的瞬时速度V1,V2,V3,Vn12F.分别算

8、出mv和mgh,在实验误差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 7 点之间的距离h57,机械能守恒的表第 1 点到第 3 点之间的距离hi3和第 5 点到第1212达式为mgh6= qmvqmv.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hi3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V6mgh6=1m6并(2)ADBCEF片(20

9、16 北京高考改编)利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验.7(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8A. 动能变化量与势能变化量B. 速度变化量和势能变化量C. 速度变化量和高度变化量(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，得到图乙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、he.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

10、O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量EP=_ ，若测动能变化量应先测出B的速度VB=_ .故 E E1:D；1*-a- -S- 衍-13(3)根据纸带算出打下各点时重物的速度v,量出下落距离s,为横坐标画出的图象应是下面的重物减少的重力势能总是略大于增加的动能，产生这一现象的原因是(写出一条即可)解析(1)图甲中两限位孔必须在同一竖直线上， 实验前手应提住纸带上端， 并使纸 带竖直，这是为了减小打点计时器与纸带之间的摩擦，选项A、B 正确；实验时，应先接通打点计时器的电源再放开纸带，选项C 错误；数据处理时，应选择纸带上距离较远的两点作为初、末位置，以减小长度的测量误差，选项重物减少的重

11、力势能为6= mgso+si) = 2.68 J，由于重物下落时做匀变速运i动，根据匀变速直线运动任意时间段中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速Si+S2度可知，打下C点时重物的速度为vC=甘=2.28 m/s.考点三|实验拓展与创新创新视角视角 1 实验器材、装置的改进2则以豊为纵坐标、以sD错误.iimgs=gmV,即卩gs=护,物体自由下落过程中机械能守恒，可以得出2v所以2_s克服阻因此实验中重物减小的重力势能总是略大于增加的动答案(1)AB(2)2.68之间存在阻力)2.28C重物受到空气阻力(或纸带与打点计时器14视角 2:速度测量方法的改进替代由光电门计算速度一 一测量纸带上

12、各点速度视角 3:实验方案的改进例如：利用竖直上抛运动的闪光照片验证机械能守恒定律.I_ I创新点 1 利用平抛运动验证机械能守恒定律1 . (2018 德州模拟)如图实-6-5 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，轻绳另一端固定在O点，在A上放一个质量很小的小铁块，现将摆锤拉起，使绳与竖直方向成 0 角，由静止开始释放摆锤，当其到达最低位置时，受到竖直挡板P的阻挡而停止运动，之后铁块将飞离摆锤做平抛运动.图实-6-5(1) 为了验证摆锤在运动过程中机械能守恒，必须求出摆锤在最低点的速度.为了求出这一速度，还应测量的物理量有 _(2) 用测得的物理量表示摆锤在最低点的

13、速度v=_.(3) 用已知的和测得的物理量表示摆锤在运动过程中机械能守恒的关系式为解析设摆锤质量为m重力对摆锤做功为W mgL1 cos 0 )，摆锤在最低点的 速度可以定帯轮导轨2I JI HU Hiwx _导轨标尺甲丙15用平抛运动的知识求解，h= 2gt2,s=vt，解得V=S/2h，为了求出摆锤16在最低点的速度，实验中还应测量的物理量有：摆锤遇到挡板之后铁块的水平位移12一 一s和竖直下落高度h.由mgLl cos 0 ) = -m2可知，表示摆锤在运动过程中机械能2s守恒的关系式为=L(1 cos 0 ).4h答案(1)摆锤遇到挡板之后铁块的水平位移s和竖直下落高度h创新点 2 利

14、用竖直上抛运动验证机械能守恒定律2 某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律，频闪仪每隔 0.05 s 闪光一次，如图实-6-6 所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表.(当地重力加速度取 9.8 m/s2，小球质量 mp 0.2 kg，结果保留 3 位有效数字)从t2到t5时间内，重力势能增量 6=_ J，动能减少量E”“ ”或“=”)，造成这种结果的主要原因是16.14 +18.662时刻、t2t3t4t5速度(m/s)AM4.994.483.98图实-6-6由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度25=_ m/s ;16J4 cm18.66 血2U6r.m2

15、3.681117解析V5=X 10 m/s = 3.48 m/s.2X 0.05重力势能的增量 EP=mgA h,代入数据可得 & = 1.24 J，动能减少量为 E1212=，mv ?mv，代入数据可得AEk= 1.27 J.(3) 由计算可得 AEPAE，主要是由于存在空气阻力.答案(1)3.48(2)1.241.27(3) 存在空气阻力创新点 3 利用光电计时器验证机械能守恒定律3.某同学用如图实-6-7 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

16、光条经过光电门的挡光时间t可由计d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 B与动能变化大小 丘, 就能验证机械能是否守恒.(1) 用厶E=mgh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E= *mV计算钢球动能变化的大小.用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图实-6-8 所示，其读数为 _ cm.某次测量中，计时器的示数为0.010 0 s.则钢球的速度为v=_ m/s.111

17、1 l|ll II |HI 1 1VI1111M111111图实-6-8 下表为该同学的实验结果:182 .、 6( X 10 J)4.8929.78614.6919.5929.382 、Ek( X 10 J)5.0410.115.120.029.8他发现表中的 丘与E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)高度变化要比较钢球球心的高度变化.(2)毫米刻度尺读数时要估读到毫米下一位，由v=辛代入数据可计算出相应速度.(3)从表中数据可知 E A 丘，若 有空气阻力，则应为A E A 曰，所以不同意他的观点

18、.1(4)实验中遮光条经过光电门时的速度大于钢球经过A点时的速度，因此由 Amv计算得到的 AE偏大，要减小 A &与 A E的差异可考虑将遮光条的速度折算为 钢球的速度.答案(1)B1.50(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A E小于 A 巳，但表中 A E大于 AE(4)分别测出光电l门和球心到悬点的长度L和I，计算 A 丘时，将v折算成钢球的速度v=V创新点 4 利用多个物体验证机械能守恒定律4.(2018 珠海模拟)用如图实-6-9 所示装置可验证机械能守恒定律，轻绳两端系着质量相等的物块A B,物块B上放一金属片C

19、,铁架台上固定一金属圆环，圆环处在物块B的正下方开始时，金属片C与圆环间的高度为h,A B、C由静止开始运动当物块B穿过圆环时，金属片C被搁置在圆环上，两光电门分别固定在铁架台P1、P2处，通过数字计时器可测出物块B从P旁运动到F2旁所用时间t，已知重力加速度为g.图实-6-9(1)若测得P、F2之间的距离为 d,则物块B刚穿过圆环后的速度v=_.若物块A B的质量均用M表示，金属片C的质量用m表示，该实验中验证了下面选项_中的等式成立，即可验证机械能守恒定律.1219A. mgh=MvB. mgh= Mv12C. mgh=2(2M n)v20D. mgh=2(M+ n)v2本实验中的测量仪器

20、除了刻度尺、数字计时器外，还需要 _ .(4) 改变物块B的初始位置，使物块B从不同的高度由静止下落穿过圆环， 记录每次 金属片C与圆环间的高度h以及物块B从Pi旁运动到P2旁所用时间t，则以h为纵21轴，以_(填t2”或“严”)为横轴，通过描点作出的图线是一条过原点的直线，该直线的斜率k=_ (用mg、M d表示).【导学号：84370249】解析(1)A、B两物块质量相等，当物块B通过圆环、金属片C被搁置在圆环上后，A、B均做匀速直线运动，故v=d.(2)A、B C从开始运动至金属片C被搁置在圆环上的过程中，系统损失的重力势能121 为 Ep=mgh系统增加的动能为 & = 2(2

21、 M+m)v,只要 &=mgh= AE=空(2M+mv2，即可验证机械能守恒定律，C正确.d(3) 从第(2)问验证的表达式分析，速度可由v= 求解，质量需要用天平来测量.d12(4) 将v=-代入mgl= 2(2Wm)v得mgl=1d2M+ m d21112(2M+ m(p，即h=mg尹 所以应以丁为横轴，h-严图线的斜率为k=?M+ m d22mg.d1答案(1)f (2)C(3)天平 严随堂训练1.某同学用图实-6-10(a)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源 的频率为 50 Hz，当地重力加速度为g= 9.80 m/s2.实验中该同学得到的一条点迹清晰的完

22、整纸带如图实-6-10(b)所示.纸带上的第一个点记为O,另选连续的三个点A B、C进行测量，图中给出了这三个点到O点的距离hAhB和he的值.回答下列问题(计算结果保留三位有效数字)M+ m d2mg21打点卄吋薜22图实-6-11(1) 这三个数据中不符合读数要求的是 _ ，应记作(2) 该同学用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，已知当地的重力加速度g= 9.80 m/s2,他用AC段的平均速度作为跟B点对应的物体的瞬时速度，则该段重锤重力势Jr、)能的减少量为_ ,而动能的增加量为cm.，(均保留 3 位有效数字，重锤质量用m表示.)这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量动能的增加做

23、15.70，mghR1.23m计算O点到B点的动能增加量，应先计算出B点的瞬时速度VB,由图可知：XAC0.1570 0.0951_,_12VB=m/s = 1.5475 m/s，故 EEk,其原因在于纸带与限位孔之间有摩擦或空气阻力对实 验也带来影响.图实-6-10(1) 打点计时器打B点时，重物速度的大小VB=_ m/s;(2) 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守恒定律？简要说明分析的依据.解析(1)由匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于平均速度可知电源频率为 50 Hz 可知T= 0.02 s，代入其他数据可解得VB=3.90 m/s.重力势能的减少等于其动能的

24、增加，即可验证机械能守恒定律.选B点分析，由于12mv 7.61m,mgh= 7.700m,故该同学的实验结果近似验证了机械能守恒定律2VB2212答案(1)3.90(2)-7.61(m/s),ghB= 7.70(m/s)，因为 mBmgh,近似验证了机械能守恒定律2 在用落体法验证机械能守恒定律时，某同学按照正确的操作选得纸带如图实-6-11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AB C各点的距离，并记录在图中(单位 cm).hehA,，由(2)本实验是利用自由落体运动验证机械能守恒定律,只要在误差允许范围内,重物23答案(1)15.715.70(2)1.23m1.20m大于 有阻力做负功3 利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图实-6-12 所示:定柑轮.| nr1n1mi|i I r-导轨标尺图实-6-12(1) 实验步骤：1将气垫导轨放在水平桌面上