2020年物理高考大一轮复习 实验6 验证机械能守恒定律课件

第五章机械能及其守恒定律高考总复习·物理实验六验证机械能守恒定律高考总复习·物理知识梳理·夯实基础核心考点·分层突破目录知识梳理·夯实基础︿︿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12mv2，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．2．计算打第n个点时速度的方法：如图所示，由公式可得第n个点的速度vn＝hn＋1－hn－12T.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：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．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：在打好点的纸带中挑选点迹清晰的一条纸带，在起点标上0，以后各点依次标上1、2、3、4、……，用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3、h4、…….五、数据处理1．求瞬时速度由公式vn＝hn＋1－hn－12T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、…….2．验证守恒方法一：利用起始点和第n点计算，代入ghn和12v2n，如果在实验误差允许的范围内，ghn＝12v2n，则说明机械能守恒定律是正确的．方法二：任取两点A、B测出hAB，算出ghAB和12v2B－12v2A的值，如果在实验误差允许的范围内，ghAB＝12v2B－12v2A，则说明机械能守恒定律是正确的．方法三：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，根据实验数据绘出12v2­h图线．若在误差允许的范围内图象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1．系统误差：本实验中因重锤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．偶然误差：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，多次测量取平均值．七、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线上以减小摩擦阻力．2．重物应选用质量和密度较大、体积较小的物体以减小空气阻力的影响．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．4．纸带长度选用60cm左右为宜，应选用点迹清晰的纸带进行测量．5．速度不能用vn＝gtn或vn＝2gh计算，否则犯了用机械能守恒定律验证机械能守恒的错误．6．验证机械能守恒时，可以不测出重锤质量，只要比较12v2n和ghn是否相等即可验证机械能是否守恒．核心考点·分层突破︿︿考点1实验原理及误差分析【例题1】(2019·皖中名校联盟高三联考)在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，使质量为m＝1.00kg的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点，选取一条符合实验要求的纸带如图所示．O为第一个点，A、B、C为从合适位置开始选取的三个点(相邻两点之间还有一个点未画出)．已知打点计时器每隔0.02s打一个点，当地的重力加速度为9.8m/s2，A、B、C三点到O点的距离如图所示．那么：(1)纸带的(选填“左”或“右”)端与重物相连．(2)根据图上所得的数据，应取图中O点到点来验证机械能守恒定律．(3)从O点到第(2)题中所取的点，重物重力势能的减少量ΔEp＝J，动能的增加量ΔEk＝J．(结果取三位有效数字)解析(1)从纸带上可以看出O点为打出来的第一个点，速度为零，重物自由下落，初速度为零，所以纸带的左端应与重物相连．(2)根据图上所得的数据，应取图中O点和B点来验证机械能守恒定律，因为B点的瞬时速度比较方便测量．(3)重力势能减小量ΔEp＝mgh＝1.0×9.8×0.195J≈1.91J.利用匀变速直线运动的推论有vB＝xACtAC＝0.280－0.1252×0.04m/s＝1.94m/s，EkB＝12mv2B＝12×1×1.942J≈1.88J，在误差允许范围内，重物的机械能守恒．答案(1)左(2)B(3)1.911.88【跟踪训练1】(2019·哈尔滨第三中学高三调研)利用如图所示装置进行验证机械能守恒定律的实验．(1)实验中若改用电火花计时器，工作电压是交流V.(2)需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落的高度h，某同学对实验得到的纸带设计了以下几种测量的方案，正确的是．A．由刻度尺测出物体下落的高度h，用打点间隔算出下落时间t，通过v＝gt计算出瞬时速度B．由刻度尺测出物体下落的高度h，通过v＝2gh计算出瞬时速度C．由刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时，纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，计算出瞬时速度D．根据做匀变速直线运动时，纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，计算出瞬时速度v，并通过h＝v22g计算得出下落高度(3)在实验中，有几个注意的事项，下列正确的是．A．为减小摩擦阻力，需要调整打点计时器的限位孔，应该与纸带在同一竖直线上B．可以选用质量很大的物体，先用手托住，等计时器通电之后再释放C．实验结果如果正确合理，得到的动能增加量应略大于重力势能的减少量D．只有选第1、2两点之间的间隔约等于2mm的纸带才代表第1点的速度为零解析(1)电火花打点计时器使用的是220V的交流电．(2)物体由静止开始自由下落过程中受到空气阻力和纸带与打点计时器的摩擦阻力作用，不是自由落体运动，v＝gt，v＝2gh，h＝v22g都是自由落体运动的公式．若用这些公式进行分析，就不需要验证了，相当于用机械能守恒验证机械能守恒．下落的高度用刻度尺测量，瞬时速度用平均速度的方法计算，故选项C正确．(3)为减小摩擦阻力，需要调整打点计时器的限位孔，使它与纸带在同一竖直线上，选项A正确；应选择质量大，体积小的重锤，减小实验的误差，选项B错误；因为存在阻力作用，知动能的增加量略小于重力势能的减小量，选项C错误；根据h＝12gt2＝12×10×0.022m＝0.002m＝2mm知，只有选第1、第2两打点间隔约2mm的纸带才代表打第1点时的速度为零，选项D正确．答案(1)220(2)C(3)AD考点2实验数据的处理【例题2】(2019·启东中学高三月考)(1)某同学想利用如图甲所示装置，验证滑块与钩码组成的系统机械能守恒，该同学认为只要将摩擦力平衡掉就可以了．你认为该同学的想法(选填“正确”或“不正确”)，理由是：.(2)另一同学用一倾斜的固定气垫导轨来验证机械能守恒定律．如图乙所示，质量为m1的滑块(带遮光条)放在A处，由跨过轻质定滑轮的细绳与质量为m2的钩码相连，导轨B处有一光电门，用L表示遮光条的宽度，x表示A、B两点间的距离，θ表示气垫导轨的倾角，g表示当地重力加速度．①气泵正常工作后，将滑块由A点静止释放，运动至B，测出遮光条经过光电门的时间t，该过程滑块与钩码组成的系统重力势能的减小量表示为，动能的增加量表示为；若系统机械能守恒，则1t2与x的关系式为1t2＝(用题中已知量表示)．②实验时测得m1＝475g，m2＝55g，遮光条宽度L＝4mm，sinθ＝0.1，改变光电门的位置，滑块每次均从A点释放，测量相应的x与t的值，以1t2为纵轴，x为横轴，作出的图象如图丙所示，则根据图象可求得重力加速度g0为m/s2(计算结果保留两位有效数字)，若g0与当地重力加速度g近似相等，则可验证系统机械能守恒．解析(1)机械能守恒的条件只有重力或弹力做功，平衡摩擦力时，是用重力的分力等于摩擦力，但此时系统受到摩擦力，故摩擦力对系统做功，机械能不守恒，故该同学的想法不正确．(2)①滑块由A到B的过程中，系统重力势能的减小量为ΔEp＝m2gx－m1gxsinθ；经过光电门时的速度为v＝Lt；则动能的增加量为ΔEk＝12(m1＋m2)v2＝12(m1＋m2)Lt2，或机械能守恒，则有ΔEp＝ΔEk，联立解得1t2＝2m2－m1sinθgxm1＋m2L2.②由上述公式可得，图象中的斜率表示2m2－m1sinθgm1＋m2L2＝k；代入数据解得g＝9.4m/s2.答案(1)不正确有摩擦力做功，不满足机械能守恒的条件(2)①(m2－m1sinθ)gx12(m1＋m2)Lt22m2－m1sinθgxm1＋m2L2②9.4【跟踪训练2】(2019·南宁第三中学高三月考)在“验证机械能守恒定律”的实验中，小明同学利用传感器设计实验：如图所示，将质量为m、直径为d的金属小球在一定高度h由静止释放，小球正下方固定一台红外线计时器，能自动记录小球挡住红外线的时间t，改变小球下落高度h，进行多次重复实验．此方案验证机械能守恒定律方便快捷．(1)用螺旋测微器测小球的直径如图乙所示，则小球的直径d＝mm.(2)为直观判断小球下落过程中机械能是否守恒，应作下列哪一个图象．A．h­t图象B．h­1t图象C．h­t2图象D．h­1t2图象(3)若(2)问中的图象斜率为k，则当地的重力加速度为(用“d”“k”表示，忽略空气阻力)．解析(1)螺旋测微器的固定刻度为17.5mm，可动刻度为30.5×0.01mm＝0.305mm，所以最终读数为17.5mm＋0.305mm＝17.805mm.(2)已知经过光电门时的时间和小球的直径，则可以由平均速度表示经过光电门时的速度，所以v＝dt，若减小的重力势能等于增加的动能时，可以认为机械能守恒；mgh＝12mv2，整理得h＝d22g1t2，为直观判断小球下落过程中机械能是否守恒，所以应作h－1t2图象，故选项D正确．(3)根据函数h＝d22g1t2可知正比例函数的斜率k＝d22g，故重力加速度g＝d22k.答案(1)17.805(2)D(3)d22k考点3实验创新设计本实验可从下列三个方面改进创新1．物体的速度可以用光电计时器测量，消除纸带与限位孔的摩擦阻力带来的误差．2．用频闪照相进行验证，消除纸带受到的阻力．3．利用气垫导轨来设计该实验，以减小由于摩擦带来的误差．【例题3】(2019·广西高三百校大联考)某研究性学习小组用如图甲所示装置来验证机械能守恒定律，P1处与P2处的光电门间的高度差为h.小球从铁杆顶端O由静止释放，并通过光电门．(1)用螺旋测微器测量小球的直径，其示数如图乙所示，则小球的直径为．(2)若小球的直径用d表示，小球通过光电门P1、P2时遮光时间分别为t1、t2，重力加速度大小为g，则小球通过光电门P1时速度大小为．(用对应物理量的符号表示)(3)实验中，若2gh(t1t2)2＝(用题中涉及的物理量的符号表示)，即可验证机械能守恒定律．解析(1)小球的直径0.5mm＋0.01mm×49.2＝0.992mm.(2)小球通过光电门P1时速度大小等于通过光电门的平均速度v1＝dt1；小球通过光电门P2时速度v2＝dt2.(3)若机械能守恒则mgh＝12mv22－12mv21＝12mdt22－dt12，即2gh(t1t2)2＝(t21－t22)d2.答案(1)0.992(2)dt1(3)(t21－t22)d2【跟踪训练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，在钢球底部竖直地黏住一片宽度为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＝dt作为钢球经过A