步步高・2015高三物理总复习(江苏专用)【配套课件】：第5章 机械能及其守恒定律 实验四验证机械能

第五章机械能实验四验证机械能守恒定律实验四验证机械能守恒定律基础回放1．实验目的验证机械能守恒定律．2．实验原理通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律．3．实验器材打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(附铁夹)、导线两根．基本实验要求实验四验证机械能守恒定律4．实验步骤(1)安装器材：将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与低压电源相连．(2)打纸带用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打出一系列的点，取下纸带，换上新的纸带重打几条(3～5条)纸带．(3)选纸带：分两种情况说明①若选第1点O到下落到某一点的过程，即用mgh＝12mv2来验证，应选点迹清晰，且1、2两点间距离小于或接近2mm的纸带．②用12mv2B－12mv2A＝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小于或接近2mm就无关紧要了．5．实验结论在误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒．基础回放实验四验证机械能守恒定律规律方法总结1．误差分析(1)测量误差：减小测量误差的方法，一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，二是多测几次取平均值．(2)系统误差：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量ΔEk＝12mv2n必定稍小于重力势能的减少量ΔEp＝mghn，改进办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力．2．注意事项(1)打点计时器要竖直：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)重物应选用质量大、体积小、密度大的材料．(3)应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落．(4)测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝dn＋1－dn－12T，不能用vn＝2gdn或vn＝gt来计算．基础回放实验四验证机械能守恒定律3．验证方案方案一：利用起始点和第n点计算代入mghn和12mv2n，如果在实验误差允许的范围内，mghn和12mv2n相等，则验证了机械能守恒定律．方案二：任取两点计算(1)任取两点A、B，测出hAB，算出mghAB．(2)算出12mv2B－12mv2A的值．(3)在实验误差允许的范围内，若mghAB＝12mv2B－12mv2A，则验证了机械能守恒定律．方案三：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，并计算各点速度的平方v2，然后以12v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据作出12v2－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定律．基础回放实验四验证机械能守恒定律考点一对实验原理与实验步骤的考查【例1】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50Hz，依次打出的点为0、1、2、3、4、…、n．则：(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、、______，必须计算出的物理量为_______________________________、____________________，验证的表达式为_．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h13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v6mgh26＝12mv26－12mv22课堂探究实验四验证机械能守恒定律(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．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(或将纸带翻转)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h1、h2、h3…hn，计算出对应的瞬时速度v1、v2、v3…vnF．分别算出12mv2n和mghn，在实验误差允许的范围内看是否相等ADBCEF课堂探究实验四验证机械能守恒定律考点二对实验数据处理的考查【例2】用如图1所示的实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒．m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．如图2给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，计数点间的距离如图所示．已知m1＝50g、m2＝150g，则(结果均保留两位有效数字)(1)在纸带上打下计数点5时的速度v＝______m/s；图1图22.4课堂探究实验四验证机械能守恒定律(2)在打下第“0”到打下第“5”点的过程中系统动能的增量ΔEk＝________J，系统势能的减少量ΔEp＝______J；(取当地的重力加速度g＝10m/s2)(3)若某同学作出12v2－h图象如图3所示，则当地的重力加速度g＝________m/s2.图30.580.609.7解析(1)v5＝21.60＋26.40×10－20.1×2m/s＝2．4m/s(2)ΔEk＝12(m1＋m2)v2－0≈0．58JΔEp＝m2gh－m1gh＝0．60J(3)由(m2－m1)gh＝12(m1＋m2)v2知v22＝m2－m1ghm1＋m2即图象的斜率k＝m2－m1gm1＋m2＝5.821.20解得g＝9．7m/s2详细解答课堂探究实验四验证机械能守恒定律本实验也可选用其他实验器材进行实验，只要能达到验证机械能守恒的目的即可，如可利用气垫导轨和滑块进行实验，需验证的表达式为mgs＝12(M＋m)g(dΔt2)2－12(M＋m)(dΔt1)2，也可利用摆球进行实验，需验证的表达式为mgh＝12mv2．课堂探究实验四验证机械能守恒定律【例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4所示：图4(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，结果如图5所示，由此读出l＝________mm；图5③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离x＝_cm；9．3060．00课堂探究实验四验证机械能守恒定律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ΔEp＝________(重力加速度为g)．(3)若ΔEp＝________，则可认为验证了机械能守恒定律．lΔt1lΔt212(M＋m)(lΔt1)212(M＋m)(lΔt2)2mgxEk2－Ek1课堂探究实验四验证机械能守恒定律26．力学实验原理与方法的迁移应用力学实验题目各省市几乎每年都考．特点是实验目的明确，实验原理千差万别，实验数据处理方法各种各样，但不管怎样，这些题都是以课本上的分组实验为原型，实验器材的使用、常用实验方案模型也是固定不变的．在做题时，应注意以下几点：(1)找原型：把课本中的实验原型或者相关的物理理论知识在头脑中完整、准确地重现出来．(2)找差别：将实验中所给器材与实验原型中器材进行对比，看一下少了什么器材或什么器材的量程不满足要求，再看一下“多给”了什么器材，注意“多给”的器材往往就是解决问题的关键．(3)析原理：要根据题意，认真分析题目所提供的该实验的原理是什么，思考出题人想通过怎样的方法、手段、步骤达到该实验的目的，并与实验原型相比较，找出达到实验目的的方法．(4)重方法：对于实验数据处理的方法基本是固定不变的，注意借鉴使用．学科素养培养实验四验证机械能守恒定律【例4】现要通过实验验证机械能守恒定律，实验装置如图6所示．水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上的B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t．用d表示A点到导轨底端C点的距离，h表示A与C的高度差，b表示遮光片的宽度，x表示A、B两点间的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度，用g表示重力加速度．完成下列填空和作图：图6学科素养培养实验四验证机械能守恒定律(1)若将滑块自A点由静止释放，则在滑块从A运动至B的过程中，滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为__________，动能的增加量可表示为__________．若在运动过程中机械能守恒，1t2与x的关系式为1t2＝____________．(2)多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点(A点)下滑，测量相应的x与t值．结果如下表所示：2Mgh－mgdM＋mb2dxMghd－mgx12(M＋m)b2t2解析(1)当M沿斜面向下运动距离x时，下落的高度为h′，则hd＝h′x，所以h′＝hdx．所以系统重力势能的减小量ΔEp＝Mgh′－mgx＝(Mghd－mg)x，动能的增加量ΔEk＝12(M＋m)v2，v＝bt，所以ΔEk＝12(M＋m)b2t2，根据机械能守恒，有ΔEp＝ΔEk，即Mghd－mgx＝12(M＋m)b2t2，所以1t2＝2Mgh－mgdM＋mb2dx．详细解答学科素养培养实验四验证机械能守恒定律12345x(m)0.6000.8001.0001.2001.400t(ms)8.227.176.445.855.431/t2(104s－2)1.481.952.412.923.39以x为横坐标，1t2为纵坐标，在图7所示坐标纸中描出第1个和第5个数据点(其余3个点已作出)；根据5个数据点作直线，求得该直线的斜率k＝__________×104m－1·s－2(保留3位有效数字)．由测得的h、d、b、M和m数值可以计算出1t2－x直线的斜率k0，将k和k0进行比较，若其差值在实际允许的误差范围内，则可认为此实验验证了机械能守恒定律．2.43图7学科素养培养实验四验证机械能守恒定律1．关于“验证机械能守恒定律”的实验中，以下说法正确的是()A．实验中摩擦是不可避免的，因此纸带越短越好，因为纸带越短，克服摩擦力做的功就越少，误差就越小B．实验时需称出重物的质量C．纸带上第1、2两点间距若不接近2mm，则无论怎样处理实验数据，实验误差都一定较大D．处理打点的纸带时，可以直接利用打点计时器打出的实际点迹，而不必采用“计数点”的方法D123456随堂训练实验四验证机械能守恒定律2．“验证机械能守恒定律”的实验装置可以采用如图8所示的甲或乙方案来进行．图8123456随堂训练实验四验证机械能守恒定律(1)比较这两种方案，________(填“甲”或“乙”)方案好些．(2)该同学开始实验时情形如图丙所示，接通电源释放纸带．请指出该同学在实验操作中存在的两处明显错误或不当的地方：①___________________________________________；②___________________________________________．(3)该实验中得到一条纸带，且测得每两个计数点间的距离如图丁所示．已知相邻两个计数点之间的时间间隔T＝0．1s．则物体运动的加速度a＝__________；该纸带是采用________(填“甲”或“乙”)实验方案得到的．甲打点计时器接了直流电源重物离打点计时器太远4.8m/s2乙123456随堂训练实验四验证机械能守恒定律3．在“验证机械能守恒定律”的实验