高三物理一轮复习实验六验证机械能守恒定律省公开课一等奖新名师获奖

试验六验证机械能守恒定律1/76【试验目标】验证机械能守恒定律2/76【试验原理】1.在只有重力做功自由落体运动中,物体重力势能和动能相互转化,但总机械能保持不变。若物体某时刻瞬时速度为v,下落高度为h,则重力势能降低许为mgh,动能增加量为mv2,看它们在试验误差允许范围内是否相等,若相等则验证了机械能守恒定律。3/762.计算打第n个点时速度方法:如图所表示,由公式可得第n个点速度vn=。

4/76【试验器材】铁架台(含铁夹)、打点计时器、学生电源、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、重物(带纸带夹)。5/76【试验过程】1.安装置:按图示将调整好打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。6/762.打纸带:将纸带一端用夹子固定在重物上,另一端穿过打点计时器限位孔用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器地方。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3～5次试验。7/763.选纸带:在打好点纸带中挑选点迹清楚一条纸带,在起点标上0,以后各点依次标上1、2、3、4、……用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3、h4……8/76【数据处理】1.求瞬时速度:由公式vn=能够计算出重物下落hn高度时对应瞬时速度vn。9/762.验证守恒:方法一:利用起始点和第n点计算。代入mghn和假如在试验误差允许条件下mghn和相等,则验证了机械能守恒定律。方法二:任取两点计算。(1)任取两点A、B测出hAB,算出mghAB。(2)算出值。10/76(3)在试验误差允许条件下,若mghAB=成立,则验证了机械能守恒定律。方法三:采取图象法。从纸带上选取多个点,测量从第一点到其余各点下落高度h,并计算各点速度平方v2,然后以v2为纵轴,以h为横轴,依据试验数据绘出v2-h图线。若在误差允许范围内图线是一条过原点且斜率为g直线,则验证了机械能守恒定律。11/76【误差分析】

误差产生原因减小方法偶然误差测量长度带来误差(1)测量距离时就应从计数0点量起,且选取计数点离0点远些(2)屡次测量取平均值

12/76误差产生原因减小方法系统误差重物和纸带下落过程中存在空气阻力和摩擦阻力(1)打点计时器安装稳固,并使两限位孔在同一竖直线上,以减小摩擦阻力(2)选取质量大、体积小物体作重物,以减小空气阻力影响13/76【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线上以减小摩擦阻力。2.重物应选取质量和密度较大、体积较小物体以减小空气阻力影响。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。14/764.纸带长度选取60cm左右为宜,应选取点迹清楚纸带进行测量。5.速度不能用vn=gtn计算,因为只要认为加速度为g,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vn=gtn计算出速度比实际值大,会15/76得出机械能增加结论,而因为摩擦阻力影响,机械能应该减小,所以速度应从纸带上直接测量计算。一样道理,重物下落高度h,也只能用毫米刻度尺直接测量,而不能用hn=或hn=gt2计算得到。6.本试验无须称出重物质量。

16/76热点一对试验数据处理和误差分析考查【典例1】(·北京高考)利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”试验。世纪金榜导学号4272212717/76(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______。A.动能改变量和势能改变量B.速度改变量和势能改变量C.速度改变量和高度改变量18/76(2)除带夹子重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外,在以下器材中,还必须使用两种器材是______。A.交流电源B.刻度尺C.天平(含砝码)19/76(3)试验中,先接通电源,再释放重物,得到图乙所表示一条纸带。在纸带上选取三个连续打出点A、B、C,测得它们到起始点O距离分别为hA、hB、hC。已知当地重力加速度为g,打点计时器打点周期为T。设重物质量为m。从打O点到打B点过程中,重物重力势能改变量ΔEp=____________,动能改变量ΔEk=____________。20/7621/76(4)大多数学生试验结果显示,重力势能降低许大于动能增加量,原因是______。A.利用公式v=gt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影响D.没有采取屡次试验取平均值方法22/76(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒:在纸带上选取多个计数点,测量它们到起始点O距离h,计算对应计数点重物速度v,描绘v2-h图象,并做以下判断:若图象是一条过原点直线,则重物下落过程中机械能守恒。请你分析论证该同学判断依据是否正确。23/76【解析】(1)由机械能守恒定律可知,需要比较重物下落过程中任意两点间动能改变量和势能改变量大小是否相等,A正确。24/76(2)电磁打点计时器使用是交流电源,选A。因为在计算重力势能改变量时,需要测量纸带上两点之间距离,所以还需要刻度尺,选B。依据mgh=mv2-0,可知不需要使用天平。25/76(3)重力势能改变量为ΔEp=-mghB,因为下落过程是匀加速直线运动,所以依据中间时刻速度等于这段时间内平均速度可得B点速度为vB=,所以动能变化量ΔEk=26/76(4)试验过程中存在空气阻力,纸带运动过程中存在摩擦阻力,C正确。(5)该同学判断依据不正确,在重物下落h过程中,若阻力Ff恒定,依据mgh-Ffh=mv2-0⇒v2=2(g-)h可知,v2-h图象是过原点一条直线。要想经过v2-h图象方法验证机械能是否守恒,还必须看图象斜率是否近似等于2g。27/76答案:(1)A(2)A、B(3)-mghB(4)C(5)该同学判断依据不正确,理由看法析

28/76【强化训练】用如图甲试验装置验证m1、m2组成系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落,m1上拖着纸带打出一系列点,对纸带上点迹进行测量,即可验证机械能守恒。图乙给出是试验中获取一条纸带:0是打下第一个点,每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出),计数点间距离如图乙所表示。已知电源频率为29/7650Hz,m1=50g、m2=150g,g取10m/s2,则30/76(1)在纸带上打下计数点5时速度v=________m/s。(2)在打点0～5过程中系统动能增加量ΔEk=________J,系统势能降低许ΔEp=________J,由此得出结论是____________。(3)试验结果显示ΔEp>ΔEk,那么造成这一现象主要原因是______________________。(4)若某同学作出v2-h图象如图丙所表示,则当地实际重力加速度g=________m/s2。31/7632/76【解析】(1)在纸带上打下计数点5时速度v==2.4m/s。(2)在打点0～5过程中系统动能增加量ΔEk=(m1+m2)v2=×0.2×2.42J=0.576J;系统重力势能降低量ΔEp=(m2-m1)gh=0.1×10×(0.216+0.384)J=0.600J,在误差允许范围内,系统机械能守恒。33/76(3)因空气阻力、纸带与限位孔间阻力及滑轮轴间阻力做负功,使系统重力势能降低许大于系统动能增加量。(4)由系统机械能守恒得(m2-m1)gh=(m1+m2)v2,解得v2=gh,图线斜率k=m/s2,解得g=9.7m/s2。34/76答案:(1)2.4(2)0.5760.600在误差允许范围内,系统机械能守恒(3)摩擦阻力造成机械能损失(4)9.735/76【反思归纳】数据处理“两点”注意(1)计算法:经过计算比较重力势能降低许与动能增加量是否相等验证机械能守恒定律时,注意重力加速度取值和有效数字保留。36/76(2)图象法:经过图象验证机械能是否守恒,要依据机械能守恒定律写出图象对应函数表示式,搞清图象斜率物理意义,如v2-h图象、v2-h图象、v2-2h图象,依据图象计算出重力加速度,计算结果与当地重力加速度比较,依据二者是否在误差允许范围内近似相等,判断机械能是否守恒。37/76热点二对试验迁移应用考查【典例2】(·全国卷Ⅱ)某物理小组对轻弹簧弹性势能进行探究,试验装置如图甲所表示。轻弹簧放置在光滑水平桌面上,弹簧左端固定,右端与一物块接触而不连接,纸带穿过打点计时器并与物块连接。向左推物块使弹簧压缩一段距离,由静止释放物块,经过测量和计算,可求得弹簧被压缩后弹性势能。世纪金榜导学号4272212838/7639/76(1)试验中包括以下操作步骤:①把纸带向左拉直②松手释放物块③接通打点计时器电源④向左推物块使弹簧压缩,并测量弹簧压缩量上述步骤正确操作次序是________(填入代表步骤序号)。40/76(2)图乙中M和L纸带是分别把弹簧压缩到不一样位置后所得到实际打点结果。打点计时器所用交流电频率为50Hz。由M纸带所给数据,可求出在该纸带对应试验中物块脱离弹簧时速度为________m/s。比较两纸带可知,________(选填“M”或“L”)纸带对应试验中弹簧被压缩后弹性势能大。41/7642/76【思索探究】(1)压缩弹簧含有弹性势能,且弹簧压缩量越大,弹性势能_____。(2)弹簧与物块之间能量怎样转化?提醒:弹簧与物块组成系统机械能守恒,物块运动过程中,弹簧弹性势能转化为物块动能。越大43/76【解析】(1)试验中操作步骤为首先向左推物块使弹簧压缩,并测量弹簧压缩量。在利用纸带打点之前,先把纸带向左拉直。为了使纸带上点能统计物块运动情况,应先接通打点计时器电源,再松手释放物块。所以试验操作步骤为④①③②。44/76(2)脱离弹簧后物块做匀速直线运动,则纸带M运动末速度vM=×10-2m/s=1.29m/s,纸带L运动末速度vL=×10-2m/s=0.77m/s。由动能定理可知,松手释放物块后,弹性势能完全转化为动能,所以物块末动能越大,则弹簧被压缩后弹性势能越大,则EpM>EpL。答案:(1)④①③②(2)1.29M45/76【强化训练】(·浦东区模拟)某同学依据机械能守恒定律,设计试验探究弹簧弹性势能与压缩量关系。(1)如图甲所表示,将轻质弹簧下端固定于铁架台,在上端托盘中依次增加砝码,测得对应弹簧长度,部分数据如表所表示,由数据算得劲度系数k=________N/m。(g取9.8m/s2)46/76砝码质量/g50100150弹簧长度/cm8.627.646.6647/76(2)取下弹簧,将其一端固定于气垫导轨左侧,如图乙所表示;调整导轨使滑块自由滑动时,经过两个光电门速度大小________。(3)用滑块压缩弹簧,统计弹簧压缩量x;释放滑块,统计滑块脱离弹簧后速度v,释放滑块过程中,弹簧弹性势能转化为__________。48/76(4)重复(3)中操作,得到v与x关系如图丙所表示,由图可知,v与x成________关系。由上述试验可得结论:对同一根弹簧,其弹性势能与弹簧________成正比。49/76【解析】(1)表格中,当砝码质量为50g时,弹簧长度为8.62cm,当砝码质量为100g时,弹簧长度为7.64cm,当砝码质量为150g时,弹簧长度为6.66cm,依据胡克定律,F=kΔx,设弹簧劲度系数为k,原长为x0,则有0.05×9.8N=k(x0-0.0862m),0.1×9.8N=k(x0-0.0764m),0.15×9.8N=k(x0-0.0666m),联立任意两式解得k=50N/m。50/76(2)经过光电门来测量瞬时速度,从而取得释放压缩弹簧后滑块速度,为使弹性势能完全转化为动能,则导轨必须水平,所以经过两个光电门速度大小需相等。(3)用滑块压缩弹簧,统计弹簧压缩量x;释放滑块,统计滑块脱离弹簧后速度v,释放滑块过程中,弹簧弹性势能转化为滑块动能。51/76(4)依据v与x关系图可知,图线经过原点,且是倾斜直线,则v与x成正比,由动能表示式,动能与速度大小平方成正比,而速度大小与弹簧压缩量成正比,所以弹簧弹性势能与弹簧压缩量平方成正比。答案:(1)50(2)相等(3)滑块动能(4)正比压缩量平方52/76【反思归纳】弹簧系统机械能守恒迁移应用(1)判断弹簧压缩量:可依据弹性势能转化为动能大小判断。53/76(2)计算弹性势能:经过计算物体动能改变量,再依据机械能守恒求出弹簧弹性势能。(3)求解弹簧劲度系数:测出弹簧形变量x及对应弹力,画出弹簧弹力随形变量x改变图象,由图象斜率意义求出劲度系数。54/76热点三试验拓展与创新【典例3】(·江苏高考)某同学用如图甲所表示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正下方,在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d遮光条。将钢球拉至不一样位置由静止释放,遮光条经过光电门挡光时间55/76t可由计时器测出,取v=作为钢球经过A点时速度。统计钢球每次下落高度h和计时器示数t,计算并比较钢球在释放点和A点之间势能改变大小ΔEp与动能改变大小ΔEk,就能验证机械能是否守恒。世纪金榜导学号4272212956/7657/76(1)用ΔEp=mgh计算钢球重力势能改变大小,式中钢球下落高度h应测量释放时钢球球心到________之间竖直距离。A.钢球在A点时顶端B.钢球在A点时球心C.钢球在A点时底端58/76(2)用ΔEk=mv2计算钢球动能改变大小,用刻度尺测量遮光条宽度,示数如图乙所表示,其读数为___________cm。某次测量中,计时器示数为0.0100s,则钢球速度为v=________m/s。59/76(3)下表为该同学试验结果:

ΔEp/×10-2J4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk/×10-2J5.0410.115.120.029.860/76他发觉表中ΔEp与ΔEk之间存在差异,认为这是因为空气阻力造成。你是否同意他观点?请说明理由。(4)请你提出一条减小上述差异改进提议。61/76【解析】(1)将钢球视为质点,所以钢球下落高度h应测量释放时钢球球心到钢球在A点时球心距离。(2)从图中读出遮光条宽度为1.50cm(1.49～1.51都算对)。速度v==1.50m/s。(3)试验中若有空气阻力作用,会造成ΔEk小于ΔEp,所以该同学观点是错误。(4)分别测出光电门和球心到悬点长度L和l,计算ΔEk时,将v折算成钢球速度v′=。62/76答案:(1)B(2)1.50(1.49～1.51都算对)1.50(3)不一样意,因为空气阻力会造成ΔEk小于ΔEp,但表中ΔEk大于ΔEp。(4)分别测出光电门和球心到悬点长度L和l,计算ΔEk时,将v折算成钢球速度v′=。63/76【强化训练】1.(·盐城模拟)某课外活动小组利用竖直上抛运动验证机械能守恒定律。(1)某同学用20分度游标卡尺测量小球直径,读数如图甲所表示,小球直径为________cm。图乙所表示弹射装置将小球竖直向上抛出,先后经过光电门A、B,计时装置64/76测出小球经过A、B时间分别为2.55ms、5.15ms,由此可知小球经过光电门A、B时速度分别为vA、vB,其中vA=________m/s。65/76(2)用刻度尺测出光电门A、B间距离h,已知当地重力加速度为g,只需比较________是否相等,就能够验证机械能是否守恒(用题目中包括物理量符号表示)。(3)经过屡次试验发觉,小球经过光电门A时间越短,(2)中要验证两数值差越大,试分析试验中产生误差主要原因是______________________。66/76【解析】(1)小球直径为10mm+0.05×4mm=10.20mm=1.020cm;vA==4.0m/s。(2)若动能增加量和重力势能降低许相等,则机械能守恒。重力势能降低许为mgh,动能