【三年高考两年模拟】2016届高三物理一轮复习(浙江专用课件)第五章机械能第6讲实验六_验证机械能守

浙江专用物理第6讲实验六:验证机械能守恒定律实验目的利用自由落体运动验证机械能守恒定律。实验原理知识梳理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,动能的增加量为 mv2,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。122.计算打第n个点时速度的方法:测出第n个点与相邻前后点间的距离xn和xn+1,由公式vn= 或vn= 算出,如图所示。实验器材12nnxxT112nnhhT铁架台(含铁夹)、打点计时器、电源、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、重物(带纸带夹)。实验步骤1.按图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。2.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。3.更换纸带重复做3到5次实验。4.选纸带:分两种情况(1)用 m =mghn验证时,应选点迹清晰,且第1、2两点间距离接近2mm的122nv纸带。若第1、2两点间的距离大于2mm,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。(2)用 m - m =mgΔh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,所以只要后面的点迹清晰就可选用。5.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= 计算出点1、点2、点3…的瞬时速度v1、v2、v3…122Bv122Av112nnhhT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条件下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。(3)若在实验误差允许的条件下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,测量从第1个点到其余各点的下122nv122nv122Bv122Av122Bv122Av6.验证落高度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,即验证了机械能守恒定律。注意事项1.打点计时器要稳定地固定在铁架台上,打点计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向,以减小摩擦力。2.应选用质量和密度较大的重物,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。3.实验中,需保持提纸带的手不动,且保证纸带竖直,待接通电源,打点计时1212器工作稳定后,再松开纸带。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,有效长度可以在60~80cm之间。5.不需测出重物质量,只需验证  =ghn即可。6.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。同样的道理,重物下落的高度h,也只能用刻度尺直接测量,而不能用hn= g 或hn= 计算得到。122nv2ngh122nt22nvg误差分析1.本实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、打点计时器阻力)做功,故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp,即ΔEkΔEp,这属于系统误差。改进的办法是调整器材的安装,尽可能地减小阻力。2.本实验的另一个误差来源于长度的测量,属偶然误差。减小误差的办法是测下落距离时都从0点量起,一次将各点对应的下落高度测量完。或者多次测量取平均值来减小误差。3.打点计时器产生的误差(1)由于交流电周期的变化,引起打点时间间隔变化而产生误差;(2)读数点选择不好,振动片振动不均匀,纸带放置方法不正确引起摩擦,造成实验误差。1.在“验证机械能守恒定律”的实验中,下列物理量中需要用工具测量的是,通过计算得到的是。A.重锤的质量B.重力加速度C.重锤下落的高度D.与重锤下落高度对应的重锤瞬时速度1. 答案CD 解析通过实验原理可知,重锤下落高度要用毫米刻度尺直接量出,下落这一高度时对应的瞬时速度可求出,故需用工具测量的是C,通过计算得到的是D。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0.05s闪光一次,图中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9.8m/s2,小球质量m=0.2kg,结果保留三位有效数字):时刻t2t3t4t5速度(m/s)5.595.084.58(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5=m/s。(2)从t2到t5时间内,重力势能增加量ΔEp=J,动能减少量ΔEk=J。(3)在误差允许的范围内,ΔEp与ΔEk近似相等,从而验证了机械能守恒定律。由上述计算得ΔEpΔEk(选填“”“”或“=”),造成这种结果的主要原因是。2. 答案(1)4.08(2)1.421.46(3)存在空气阻力 解析(1)v5= cm/s=408cm/s=4.08m/s。(2)由题给条件知:h25=(26.68+24.16+21.66)cm=72.5cm=0.725mΔEp=mgh25=0.2×9.8×0.725J=1.42JΔEk= m - m = ×0.2×(5.592-4.082)J=1.46J(3)由(2)中结果知ΔEpΔEk,因为存在空气阻力,导致重力势能的增加量小于动能的减少量。19.1421.660.0521222v1225v123.在“验证机械能守恒定律”的实验中,已知电磁打点计时器所用的电源的频率为50Hz,查得当地的重力加速度g=9.80m/s2,测得所用的重物质量为1.00kg。实验中得到一条点迹清晰的纸带(如图所示),把第一个点记为O,另选连续的四个点A、B、C、D作为测量的点,经测量知道A、B、C、D各点到O点的距离分别为62.99cm、70.18cm、77.76cm、85.73cm。(1)根据以上数据,可知重物由O点运动到C点,重力势能的减少量等于J,动能的增加量等于J(取三位有效数字)。(2)根据以上数据,可知重物下落时的实际加速度a=m/s2,ag(填“大于”或“小于”),原因是。3. 答案(1)7.627.57(2)9.75小于重物受空气阻力,纸带受打点计时器的阻力 解析(1)由题意知重物由O点运动至C点,下落的高度为hC=77.76cm=0.7776m,所以重力势能的减少量为ΔEp=mghC=1.00×9.80×0.7776J=7.62J。重物经过C点时的速度vC= = = m/s=3.89m/s故重物动能的增加量ΔEk= m =7.57J(2)根据CD-AB=2aT2,CD=OD-OC,AB=OB-OA,代入数据得a=9.75m/s2g。实验中重物受空气阻力,纸带受打点计时器的阻力作用,导致ag。2BDT2ODOBT0.85730.701820.02122Cv4.某实验小组利用如图甲所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒。 (1)实验前需要调整气垫导轨底座使之水平,利用现有器材如何判断导轨是否水平?甲(2)如图乙所示,用游标卡尺测得遮光条的宽度d=cm;实验时将滑块从图甲所示位置由静止释放,由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt=1.2×10-2s,则滑块经过光电门时的瞬时速度为m/s。在本次实验中还需要测量的物理量有:钩码的质量m、和(文字说明并用相应的字母表示)。 (3)本实验通过比较和在实验误差允许的范围内是否相等(用测量的物理量符号表示),从而验证系统的机械能守恒。乙4. 答案见解析 解析(1)接通气源,将滑块静置于气垫导轨上(不挂钩码),若滑块能在各个位置保持静止,则说明导轨是水平的(或取下钩码,轻推滑块,滑块能做匀速直线运动)。(2)d=5mm+2×0.1mm=0.52cm;v= = m/s=0.43m/s;还需测量滑块质量M,滑块移动的位移x。(3)比较钩码重力势能的减少量mgx及钩码和滑块共同的动能增加量 (m+M)( )2。dt220.52101.21012dt典例剖析典例1在“验证机械能守恒定律”的实验中,打点计时器接在50Hz的交流电源上,自由下落的重物质量为1kg,一条理想的纸带数据如图所示,单位是cm。g取9.8m/s2,O、A之间有几个计数点没画。O点是重物开始下落时打出的第1个点。(1)从起点O到打下计数点B的过程中重力势能的减少量ΔEp=,此过程中物体动能的增加量ΔEk=。(2)如果以 为纵轴,以下降高度h为横轴,根据多组数据绘出h- 的图像,这个图像应该是,图线上任意两点的纵坐标之差与横坐标之差的比等于。22v22v量ΔEk= m ,而vB= = =0.98m/s,所以ΔEk=0.480J。(2)根据 mv2=mgh可知,以 为纵坐标,以h为横坐标,绘出的 -h图像应为过原点的倾斜直线,图线上任意两点的纵坐标之差与横坐标之差的比等于9.8m/s2。 答案(1)0.491J0.480J(2)过原点的倾斜直线9.8m/s2122Bv2AChT2OCOAhhT1222v22v 解析(1)从点O到点B,重力势能的减少量ΔEp=mghOB=0.491J,动能的增加典例2利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置示意图如图所示: (1)实验步骤:①将气垫导轨放在水平桌面上,桌面高度不低于1m,将导轨调至水平;②用游标卡尺测量挡光条的宽度l=9.30mm;③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s=cm;④将滑块移至光电门1左侧某处,待砝码静止不动时,释放滑块,要求砝码落地前挡光条已通过光电门2;⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2;⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M,再称出托盘和砝码的总质量m。(2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式:①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1=和v2=。②当滑块通过光电门1和光电门2时,系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1=和Ek2=。③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中,系统势能的减少量ΔEp=(重力加速度为g)。(3)如果ΔEp=,则可认为验证了机械能守恒定律。 解析由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s=80.30cm-20.30cm=60.00cm。由于挡光条宽度很小,因此将挡光条通过光电门时的平均速度看做瞬时速度,因此,滑块通过光电门1时瞬时速度为 ,通过光电门2时瞬时速度为 。由公式Ek= mv2可得:滑块通过光电门1时系统的动能Ek1= (M+m) ,滑1lt2lt121221lt块通过光电门2时系统的动能Ek2= (M+m) 。末动能减初动能可得动能的增加量。两光电门中心之间的距离s即砝码和托盘下落的高度,系统势能的减少量ΔEp=mgs,最后对比Ek2-Ek1与ΔEp的数值大小,在误差允许的范围内相等,就验证了机械能守恒定律。 答案(1)③60.00(答案在59.96~60.04之间均可)(2)①  ② (M+m)  (M+m) 1222lt1lt2lt1221lt1222lt③mgs(3)Ek2-Ek1