（天津专用）2020届高考物理一轮复习 实验课7 验证机械能守恒定律课件 新人教版

实验课7验证机械能守恒定律-2-一、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,动能的增加量为,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。12mv2实验原理图-3-2.速度的测量:做匀变速直线运动的纸带上某段位移中间时刻的瞬时速度等于这段位移之间的平均速度。计算打第n个点速度的方法:测出与第n个点相邻前后点间的距离xn和xn+1,由公式vn=xn+xn+12T或vn=hn+1-hn-12T算出,如图所示。-4-三、实验器材铁架台(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)。四、实验过程1.安装置:如图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。-5-2.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3~5次实验。3.选纸带:分两种情况说明(1)用12mvn2=mghn验证时,应选点迹清晰,且第1、2两点间距离小于或接近2mm的纸带。若第1、2两点间的距离大于2mm,这是由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12mvB2−12mvA2=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大于2mm就无关紧要了,所以只要后面的点迹清晰就可选用。-6-五、实验数据处理1.测量计算在起始点标上0,在以后各计数点依次标上1、2、3……,用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3……。利用公式计算出点1、点2、点3……的瞬时速度v1、v2、v3……。vn=hn+1-hn-12T-7-2.验证守恒方法一:利用起始点和第n点计算。代入ghn和12vn2,如果在实验误差允许的条件下,ghn=12vn2,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12vB2−12vA2的值。③在实验误差允许的范围内,如果ghAB=12vB2−12vA2,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的下落高度h,并计算各点速度的二次方v2,然后以12v2为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出12v2-h图线。若在误差允许的范围内图像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。-8-六、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,一次将各打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)由于交变电流周期的变化,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。-9-七、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到竖直方向,以减小摩擦阻力。2.重物要选用密度大、体积小的物体,这样可以减小空气阻力的影响,从而减小实验误差。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,有效长度可在60~80cm之间。5.不需测出物体质量,只需验证即可。12vn2=ghn-10-6.速度不能用vn=gtn或vn=2ghn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计算出的速度比实际值大,会得出机械能增加的结论,而因为摩擦阻力的影响,机械能应该减小,所以速度应从纸带上直接测量计算。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=12gtn2或hn=vn22g计算得到。-11-考向1考向2考向3实验原理与操作例1(2017·天津卷)如图甲所示,打点计时器固定在铁架台上,使重物带动纸带从静止开始自由下落,利用此装置验证机械能守恒定律。甲-12-考向1考向2考向3(1)对于该实验,下列操作中对减小实验误差有利的是()A.重物选用质量和密度较大的金属锤B.两限位孔在同一竖直面内上下对正C.精确测量出重物的质量D.用手托稳重物,接通电源后,撤手释放重物AB解析重物选择质量、密度较大的金属锤,可减小空气阻力的影响保证自由下落,故A正确。两限位孔在同一竖直面内上下对正,减小纸带与限位孔间的阻力,保证自由下落,故B正确。由mgh=mv2可得m的大小与实验结论无关,故C不正确。用手拿着纸带的上端,让重物悬空,先接通电源,再释放。若托重物再释放,纸带不绷紧,实验误差大,故D错误。12-13-考向1考向2考向3(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz的交流电源上,按正确操作得到了一条完整的纸带,由于纸带较长,图中有部分未画出,如图乙所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点,其中O点为纸带上打出的第1个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出,利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有()乙A.OA、AD和EG的长度B.OC、BC和CD的长度C.BD、CF和EG的长度D.AC、BD和EG的长度答案解析解析关闭要验证机械能守恒定律,必须测出下落高度,计算相应点的瞬时速度。A项,OA段可求得OA中点速度大小,AD段可求得AD中点速度的大小,EG段可求得F点速度的大小,但不可求得各中点间的距离大小,因此无法求得相应过程中重物的重力势能的变化量,故A项错误;B项,根据BC段、CD段的距离可求得C点的速度大小,即可求得C点处的动能大小,由O点处动能为0,可求得OC段动能的变化量,再根据OC段距离即可求得C点处对应的重力势能变化量,验证机械能守恒,故B项正确;C项,根据已知BD段长度可求得C点的速度大小,已知EG长度可求得F点速度大小,进而求得C点到F点的动能变化,又因为已知CF的长度大小,可求得其重力势能的变化量,故C项正确;D项,由AC段长度可求得B点的速度大小,BD段长度可求得C点的速度大小,EG段长度可求得F点的速度大小,但无法求得各已知速度的点间的距离大小,无法求得其重力势能的变化量,故D项错误,故选B、C。答案解析关闭BC-14-考向1考向2考向3实验数据处理与误差分析例2(2018·江西南昌模拟)用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验时接通电源,质量为m2的重物从高处由静止释放,质量为m1的重物拖着纸带打出一系列的点,图乙是实验中打出的一条纸带,A是打下的第1个点,量出计数点E、F、G到A点距离分别为h1、h2、h3,每相邻两计数点的计时间隔为T,当地重力加速度为g。(以下所求物理量均用已知符号表达)-15-考向1考向2考向3(1)在打点A~F的过程中,系统动能的增加量ΔEk=,系统重力势能的减少量ΔEp=,比较ΔEk、ΔEp大小即可验证机械能守恒定律。(2)某同学根据纸带算出各计数点速度,并作出图像如图丙所示,若图线的斜率k=,即可验证机械能守恒定律。v22-h-16-考向1考向2考向3解析(1)由于每相邻两计数点间的计时间隔为T,根据匀变速直线运动某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度,求出点F的瞬时速度vF=ℎ3-ℎ12𝑇。在打点A~F过程中,系统动能的增量ΔEk=12(m1+m2)𝑣𝐹2=(𝑚1+𝑚2)(ℎ3-ℎ1)28𝑇2。系统重力势能的减小量为ΔEp=(m2-m1)gh2。(2)根据机械能守恒定律可有,(m2-m1)gh=12(m1+m2)v2,即12v2=𝑚2-𝑚1𝑚1+𝑚2gh,所以𝑣22-h图像的斜率k=𝑚2-𝑚1𝑚1+𝑚2g。答案(1)(𝑚1+𝑚2)(ℎ3-ℎ1)28𝑇2(m2-m1)gℎ2(2)𝑚2-𝑚1𝑚1+𝑚2g-17-考向1考向2考向3实验探究拓展例3某同学用如图甲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,遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出,取作为钢球经过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ΔEp与动能变化大小ΔEk,就能验证机械能是否守恒。v=dt甲-18-考向1考向2考向3(1)用ΔEp=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-19-考向1考向2考向3(2)用计算钢球动能变化的大小。用刻度尺测量遮光条宽度,示数如图乙所示,其读数为cm。某次测量中,计时器的示数为0.0100s,则钢球的速度为v=m/s。ΔEk=12mv2乙-20-考向1考向2考向3(3)下表为该同学的实验结果:ΔEp/(×10-2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk/(×10-2J)5.0410.115.120.029.8他发现表中的ΔEp与ΔEk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。-21-考向1考向2考向3解析(1)因为研究对象是钢球,钢球下落的高度应为初末位置球心之间的竖直距离。(2)应用毫米刻度尺测长度时,测量结果应估读到毫米的下一位,故读数为15.0mm=1.50cm。据公式v==1.50m/s知钢球过A点时瞬时速度为1.50m/s。(3)若考虑空气阻力的影响,下落过程由能量守恒定律知减少的重力势能转化为钢球的动能和因克服阻力做功产生的内能,即ΔEp=ΔEk+Q热,故ΔEk小于ΔEp,但表中ΔEk大于ΔEp,所以不同意该同学的观点。(4)由题中实验装置可知造成这种现象的原因是所测的钢球通过光电门时的速度并不是钢球通过A点时的瞬时速度,若要知道钢球通过A点的准确速度,需测出光电门和球心分别到悬点的距离L和l,则由公式v=ωL和v'=ωl,折算出钢球的准确速度为v'=v。𝑑𝑡𝑙𝐿-22-考向1考向2考向3答案(1)B(2)1.50(1.49~1.51都算对)1.50(1.49~1.51都算对)(3)不同意。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的长度L和l,计算ΔEk时将v折算成钢球的速度v'=v。𝑙𝐿