（江苏专用版）2020版高考物理总复习 第五章 实验五 验证机械能守恒定律课件

实验五验证机械能守恒定律基础过关一、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 mv2,判断它们在实验误差允许的范围内是否相等,若①相等则验证了机械能守恒定律。122.速度的测量:做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间的平均速度vt= 。计算打第n个点瞬时速度的方法是:测出第n个点的相邻前后两段相等时间T内下落的距离xn和xn+1,由公式vn=② 或vn=③ 算出,如图所示。2Tv12nnxxT112nnhhT 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、④毫米刻度尺、重物(带纸带夹)。四、实验步骤1.仪器安装按如图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。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⑤限位孔,用手提着纸带,使重物静止在⑥靠近打点计时器的地方。先⑦接通电源,后⑧松开纸带,让重物带着纸带⑨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)如果根据 mv2=mgh验证时,应选点迹清晰,打点成一条直线,且1、2两点间距离小于或接近⑩2mm的纸带。若1、2两点间的距离大于2mm,则可能是由于先释放纸带,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。12五、数据处理1.求瞬时速度由公式vn= 可以计算出重物下落h1、h2、h3、…的高度时对应的瞬时速度v1、v2、v3、…。112nnhhT(2)如果根据 m - m =mgΔh验证时,由于重力势能的变化是绝对的,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接近2mm就无关紧要了,只要后面的点迹清晰就可选用。122Bv122Av2.验证守恒方法一: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范围内,ghn=  ,则验证了机械能守恒定律。方法二:任取两点A、B测出hAB,算出ghAB和  -  的值,如果在实验误差允许的范围内,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的下落高度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122nv122nv122Bv122Av122Bv122Av12数据绘出 v2-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。六、误差分析121.系统误差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,改进的方法是调整器材的安装,尽可能地减小阻力。2.偶然误差本实验的另一误差来源于长度的测量,属于偶然误差。减小误差的方法是测下落距离时都从O点测量,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。七、注意事项1.应尽可能地控制实验条件,即应满足机械能守恒的条件,这就要求尽量减小各种阻力的影响,采取的措施有:(1)安装打点计时器时,必须使两个限位孔的中线严格竖直,以减小摩擦阻力。(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。2.实验中,提纸带的手要保持不动,且保证纸带竖直,接通电源,待打点计时器工作稳定后再松开纸带。3.验证机械能守恒时,可以不测出重物质量,只要比较  和ghn是否相等即可验证机械能是否守恒。122nv4.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,纸带也不宜过长,有效长度可在60~80cm之间。5.速度不能用vn=gtn或vn= 计算,否则犯了用机械能守恒定律验证机械能守恒的错误。2ngh考点一实验原理与实验操作考点二实验数据处理与误差分析考点突破考点三实验的拓展与创新考点一实验原理与实验操作例1(2017天津理综)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。 (1)(多选)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,撒手释放重物(2)(多选)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一个点。重物下落高度可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。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(1)AB(2)BC解析(1)选用质量和密度较大的金属锤、限位孔在同一竖直面内对正都可以降低摩擦阻力对实验结果造成的误差,所以A、B项正确;动能与重力势能表达式中都含有质量m,可以约去,故不需要测量出质量m的具体数值,C错误;重物下落之前应该用手拉住纸带上端而不是用手托住重物,D项错误。(2)测出BC和CD的长度就可以计算出打下C点时的速度vC,再测出OC的长度,就可验证mghOC= m 是否成立,所以B项正确;测出BD、EG的长度可计算出打下C、F两点时的速度vC和vF,再测出CF的长度,就可验证122CvmghCF= m - m 是否成立,所以C项正确。122Fv122Cv考点二实验数据处理与误差分析例2(2018南京调研)“验证机械能守恒定律”的实验装置如图1所示。(1)甲同学按照正确的实验步骤操作后,选出一条纸带如图2所示,其中O点为打点计时器打下的第一个点。从纸带上A点开始每隔一个点取一个计数点,取得两个计数点B和C。该同学用刻度尺测得OA=9.62cm,OB=15.89cm,OC=23.64cm。已知打点计时器每0.02s打一个点,重物的质量为1.00kg,取g=9.80m/s2。在OB段运动过程中,重物重力势能的减少量ΔEp=J;重物的动能增加量ΔEk=J(结果均保留三位有效数字)。(2)乙同学利用该实验装置测定当地的重力加速度。他打出了一条纸带后,利用纸带测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h,算出了各计数点对应的速度v,以h为横轴,以 v2为纵轴画出了如图3所示的图线。由于图线明显偏离原点,若测量和计算都没有问题,其原因可能是。12乙同学测出该图线的斜率为k,如果阻力不可忽略,则当地的重力加速度gk(选填“大于”“等于”或“小于”)。答案(1)1.561.53(或1.54)(2)先释放重物,再接通打点计时器的电源大于解析(1)在OB段运动过程中,重物重力势能的减少量为ΔEp=mghOB=1×9.8×0.1589J≈1.56J;B点的速度为vB= = m/s≈1.75m/s,则动能的增加量为ΔEk= m = ×1×1.752J≈1.53J。(2)从图像中可以看出,当物体下落的高度为0时,物体的速度不为0,说明了操作中是先释放重物,再接通打点计时器的电源。若无阻力,则根据机械能守恒知,mgh= mv2,则 v2=gh,斜率k=g;若有阻力则测得的加速度k小于重力加速度g,即g大于k。2ACxT0.23640.096220.04122Bv121212考点三实验的拓展与创新本实验的创新点有(1)实验器材、装置的改进(2)速度测量方法的改进由光电门计算速度 测量纸带上各点速度(3)实验方案的改进利用自由落体运动的闪光照片验证机械能守恒定律。例3(2016江苏单科)某同学用如图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v= 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。dt (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(2)用ΔEk= mv2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。 12ΔEp(×10-2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk(×10-2J)5.0410.115.120.029.8(3)下表为该同学的实验结果: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。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解析(1)高度变化要比较钢球球心的高度变化。(2)毫米刻度尺读数时要估读到毫米下一位,由v= 代入数据可计算出相应速度。(3)从表中数据可知ΔEkΔEp,若有空气阻力,则应为ΔEkΔEp,所以不同意他的观点。(4)实验中遮光条经过光电门时的速度大于钢球经过A点时的速度,因此由ΔEk= mv2计算得到的ΔEk偏大,要减小ΔEp与ΔEk的差异可考虑将遮光dt12条的速度折算为钢球的速度。(2018石榴高中月考)某实验小组在做“验证机械能守恒定律”实验中,提出了如图所示的甲、乙两种方案:甲方案为用自由落体运动进行实验,乙方案为用小车在斜面上下滑进行实验。随堂巩固  (1)组内同学对两种方案进行了深入的讨论分析,最终确定了一个大家认为误差相对较小的方案,你认为该小组选择的方案是,理由是。(2)若该小组采用图甲的装置打出了一条纸带如图丙所示,相邻两点之间的时间间隔为0.02s,请根据纸带计算出B点的速度大小为m/s。(结果保留三位有效数字)(3)该小组内同学们根据纸带算出了相应点的速度,作出v2-h图线如图戊所示,请根据图线计算出当地的重力加速度g=m/s2。(结果保留两位有效数字)(4)(多选)采用甲方案时得到的一条纸带如图丁所示,现选取N点来验证机械能守恒定律。下面是几位同学分别用不同方法计算N点的速度,其中正确的是。A.vN=gnTB.vN=g(n-1)TC.vN= D.vN= 12nnssT112nnddT答案(1)甲采用乙方案时,由于小车与斜面间存在摩擦力的作用,且不能忽略,所以小车在下滑的过程中机械能不守恒(2)1.37(3)9.7(4)CD解析(2)匀变速直线运动中相邻两段时间中点的瞬时速度大小等于该过程中的平均速度大小,因此有vB= = =1.37m/s。(3)由机械能守恒定律有mgh= mv2,得v2=2gh,由此可知:图像的斜率k=2g,由此可以求出当地的重力加速度,由题图可知,当h=20cm时,v2=3.88,所以k= = m/s2=19.4m/s2,所以g=9.7m/s2。2ACxT12.40cm6.93cm20.02s122vh3.880.2