高考物理复习实验验证机械能守恒定律

物理课标版第6讲试验：验证机械能守恒定律1/31基础梳理[试验目标]利用自由落体运动验证只有重力作用下物体机械能守恒。[试验原理]1.在只有重力做功自由落体运动中,物体重力势能转化为动能,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。2/31xn+1,由公式vn=

或vn=

算出,如图所表示。

[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)。2.计算打第n个点速度方法:测出第n个点与相邻前后点间距离xn和3/31[试验步骤]1.安装置:按图将检验、调整好打点计时器竖直固定在铁架台上,接好

电路。4/31

2.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。3.选纸带:分两种情况说明(1)用

m

=mghn验证时,应选点迹清楚,且1、2两点间距离小于或靠近2mm纸带。若1、2两点间距离大于2mm,这是因为先释放纸带,后

接通电源造成。这么,第1个点就不是运动起始点了,这么纸带不

能选。(2)用

m

-

m

=mgΔh验证时,因为重力势能相对性,处理纸带时,选择适当点为基准点,这么纸带上打出第1、2两点间距离是否为2mm就无关紧要了,所以只要后面点迹清楚就可选取。5/31[数据处理]方法一:利用起始点和第n点计算。代入ghn和

,假如在试验误差允许条件下,ghn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ghAB。(2)算出

-

值。(3)在试验误差允许条件下,若ghAB=

-

,则验证了机械能守恒定律。方法三:图像法。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,依据实验数据绘出

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。6/31[误差分析]1.本试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、打点计时器与纸带间摩擦阻力)做功,故动能增加量ΔEk稍小于重力势

能降低许ΔEp,即ΔEk<ΔEp,这属于系统误差。改进方法是调整器材

安装,尽可能地减小阻力。2.本试验另一个误差起源于长度测量,属偶然误差。减小误差办

法是测下落距离时都从0点量起,一次将各打点对应下落高度测量完,

或者屡次测量取平均值来减小误差。7/314.纸带长度应选取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或vn=

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,也只能用刻度尺直接测量,而不能用hn=

g

或hn=

计算得到。[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以减

少摩擦阻力。2.应选取质量大、体积小、密度大重物。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。8/31考点一试验原理与操作

典例1

(课标Ⅱ,22,6分)某物理小组对轻弹簧弹性势能进行探

究,试验装置如图(a)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。9/31

图(a)(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)。10/31(2)图(b)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,

(填“M”或“L”)纸带对应试验中弹簧

被压缩后弹性势能大。

图(b)11/31答案(1)④①③②(2)1.29

M解析(1)试验步骤中,一定要注意接通打点计时器电源之后再松手释

放物块。若次序搞反,可能造成物块已离开桌面但打点计时器还没有开

始工作。(2)从纸带上看,最终两个数据2.58cm、2.57cm相差不大,表示物块已经

脱离弹簧,所以速度v=

×10-2m/s≈1.29m/s,同理可计算出打下L纸带时物块脱离弹簧速度要小一些。12/31方法指导经过打点计时器打下纸带可分析物体运动过程。本题中,从前面几个数据能够看出相等时间内位移逐步增大,表明此阶段物块在弹簧弹

力作用下加速运动,从后面两个数据能够看出相等时间内位移几乎不

变,表明此阶段物块已经脱离了弹簧,近似做匀速直线运动。13/31(山东青岛)“动能定理”和“机械能守恒定律”是物理学中很重

要两个力学方面物理规律。某同学设计了如图所表示试验装置。

一个电磁铁吸住一个小钢球,当电磁铁断电后,小钢球将由静止开始向

下加速运动。小钢球经过光电门时,计时装置将统计小钢球经过光电门

所用时间t,用直尺测出小钢球由静止开始下落至光电门时高度h。14/31(1)该同学在验证动能定理过程中,忽略了空气阻力影响,试验中是

否需要测量小钢球质量?

(填“需要”或“不需要”)。(2)假如用这套装置验证机械能守恒定律,下面做法能提升试验准确

度是

。A.在确保其它条件不变情况下,减小小球直径B.在确保其它条件不变情况下,增大小球直径C.在确保其它条件不变情况下,增大小球质量D.在确保其它条件不变情况下,减小小球质量15/31答案(1)不需要(2)AC解析(1)由动能定理有mgh=

mv2,化简得gh=

v2,故不需要测量小钢球质量。(2)用小钢球经过光电门平均速度来表示小钢球经过光电门

瞬时速度,有v=

(d为小钢球直径),然后验证mgh=

mv2,即gh=

v2是否成立,由此验证机械能是否守恒,则小钢球直径越小,v越准确,故A正

确,B错误。因为实际过程中存在阻力,故mgh-fh=

mv2,即gh-

=

v2,所以质量越大,

这一项越小,准确度越高,故C正确,D错误。16/31考点二数据处理和误差分析

典例2

(课标Ⅰ,22,5分)某同学用图(a)所表示试验装置验证机械能

守恒定律,其中打点计时器电源为交流电源,能够使用频率有20

Hz、30Hz和40Hz。打出纸带一部分如图(b)所表示。

图(a)17/31该同学在试验中没有统计交流电频率f,需要用试验数据和其它题给

条件进行推算。(1)若从打出纸带可判定重物匀加速下落,利用f和图(b)中给出物理

量能够写出:在打点计时器打出B点时,重物下落速度大小为

,打出C点时重物下落速度大小为

,重物下落加速度大小

为

。

(2)已测得s1=8.89cm,s2=9.50cm,s3=10.10cm;当地重力加速度大小为9.80m/s2,试验中重物受到平均阻力大小约为其重力1%。由此推算出

f为

Hz。图(b)18/31答案(1)

(s1+s2)f

(s2+s3)f

(s3-s1)f2(2)40解析(1)匀变速直线运动中,某一段位移平均速度等于中间时刻

瞬时速度:vB=

=

(s1+s2)f,同理vC=

(s2+s3)f,加速度a=

=

(s3-s1)f2。(2)由牛顿第二定律可知:mg-0.01mg=maa=0.99g

①又由(1)问知:a=

②①②联立得f=40Hz19/31方法指导本题要求推算打点计时器所用电源频率,问题新奇,但应注意到加速

度表示式中,加速度与频率相关性,只要知道加速度就可求出频率。

由给出受力情况,依据牛顿第二定律可求出加速度,再代入第(1)问中

加速度表示式求出频率。

20/31(福建毕业班质量检测,22)某课外活动小组利用小球竖直上抛运动

验证机械能守恒定律。如图甲,弹射装置将小球竖直向上弹出,先后通

过光电门A、B,光电计时器测出小球上升过程中经过A、B时间分别为ΔtA、ΔtB,用刻度尺测出光电门A、B间距离为h,用螺旋测微器测量

小球直径d,某次测量结果如图乙,其读数d=

mm。当地重

力加速度为g。在误差范围内,若小球上升过程中机械能守恒,则题中给

出物理量d、ΔtA、ΔtB、g、h之间应满足关系式为

。21/31解析螺旋测微器读数为12.50mm+48.7×0.01mm=12.987mm。由机

械能守恒定律有mgh=

m

-

m

,又vA=

,vB=

,可得(

)2-(

)2=2gh。答案12.987(12985-12.988)( )2-( )2=2gh22/31考点三试验改进与试验创新

典例3

(江苏单科,11,10分)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t

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。23/31

(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点时底端图甲24/31(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0.0

100s,则钢球速度为v=

m/s。

图乙25/31(3)下表为该同学试验结果: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。答案(1)B(2)1.50(1.49~1.51都算对)1.50(1.49~1.51都算对)(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ΔEp(×10-2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk(×10-2J)5.0410.115.120.029.8球速度v‘=

v。26/31解析(1)要考虑钢球重力势能改变量大小,需要测量钢球球心下降

高度h,所以要测量钢球在释放点和A点时球心之间竖直距离,选项

B正确。(2)刻度尺读数为1.50cm,钢球速度v=

=

m/s=1.50m/s。(3)由动能定理可知,mgh-Wf=ΔEk,即ΔEp-Wf=ΔEk,ΔEp>ΔEk,所以空气阻力

会造成ΔEp>ΔEk,但表中为ΔEk>ΔEp,所以不一样意他观点。(4)钢球球心和遮光条都绕悬点做圆周运动,但运动半径不一样,所以分别

测出光电门和球心到悬点长度L和l,遮光条在光电门处速度v=

,则钢球速度v'=

·l,能够减小表中差异。27/31方法指导(1)钢球高度改变应为钢球球心间高度差,所以应测球心间竖直

距离。(3)因存在空气阻力,所以重力势能改变量应大于动能改变量。(4)不一样半径,同一圆心圆周运动,其线速度不一样,故应将遮光条在光电

门处速度折算成钢球球心处速度。

28/31(湖北武汉武昌调研,22)试验小组用细线做了以下试验,请完成填空:将细线一端固定,另一端系在弹簧测力计挂钩上,水平拉细线,迟缓增大拉力,当测力计示数如图甲时