2020届高三物理一轮复习 第五章 实验六 验证机械能守恒定律课件

核心考点•互动探究目录ONTENTSC章末检测卷实验六验证机械能守恒定律第五章机械能及其守恒定律一、实验目的1．掌握验证机械能守恒定律的方法．2．会用计算法或图象法处理实验数据．二、实验原理与要求[基本实验要求]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(带铁夹)、导线两根．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交流电源相连．(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，换上新的纸带重复上述步骤多打几条(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来验证时，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．[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O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＝12mvn2必定稍小于重力势能的减少量ΔEp＝mghn，改进办法是调整安装的器材，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．3．验证方案方案一：利用起始点和第n点计算代入mghn和12mvn2，如果在实验误差允许的范围内，mghn和12mvn2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12mvB2－12mvA2的值．(3)在实验误差允许的范围内，若mghAB＝12mvB2－12mvA2，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12v2h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．考点一实验原理与操作1．[实验操作]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.(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__________________________________________．(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．先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落C．取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)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12mvn2和mghn，在实验误差范围内看是否相等解析：(1)要验证从第2点到第6点之间的纸带对应重物的运动过程中机械能守恒，应测出第2点到第6点的距离h26，要计算第2点和第6点的速度v2和v6，必须测出第1点到第3点之间的距离h13和第5点到第7点之间的距离h57，机械能守恒的表达式为mgh26＝12mv62－12mv22.(2)实验操作顺序为ADBCEF.答案：(1)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＝12mv62－12mv22(2)ADBCEF2．[实验原理](2016·高考全国卷Ⅰ)某同学用图(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20Hz、30Hz和40Hz.打出纸带的一部分如图(b)所示．(a)(b)该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他题给条件进行推算．(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图(b)中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为________，打出C点时重物下落的速度大小为________，重物下落的加速度大小为________．(2)已测得s1＝8.89cm、s2＝9.50cm、s3＝10.10cm，当地重力加速度大小为9.80m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%.由此推算出f为________Hz.解析：(1)重物匀加速下落时，根据匀变速直线运动的规律得vB＝s1＋s22T＝12f(s1＋s2)vC＝s2＋s32T＝12f(s2＋s3)由s3－s1＝2aT2得a＝f2s3－s12(2)根据牛顿第二定律，有mg－kmg＝ma根据以上各式，化简得f＝21－kgs3－s1代入数据可得f≈40Hz.答案：(1)12f(s1＋s2)12f(s2＋s3)12f2(s3－s1)(2)40考点二数据处理及误差分析3．[数据处理](2019·河南八市重点高中质检)某实验小组用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律．(1)按要求安装好装置，按正确的实验要求操作，重物由静止落下后打出的纸带如图乙所示，O为纸带下落的起始点，每相邻两计数点间还有4个计时点未标出，已知打点计时器所用交流电的频率为f＝50Hz.查得当地的重力加速度为g＝9.80m/s2.小组成员甲同学用vD2＝2ghOD求D点的速度，乙同学用vD＝xBFf20求D点的速度．其中所选方法正确的是________(选填“甲”或“乙”)同学．按正确的方法将求得的D点的速度填入表格，并根据表格中的数据在坐标纸中作出vt图象．计数点ABCDE速度v/(m·s－1)0.961.912.864.27(2)由图象求得重物下落的加速度为________，由此判断重物下落过程中机械能________(选填“增大”“守恒”或“减小”)，原因是________________________．(3)若根据表格中各点的瞬时速度及对应的下落高度h，以v2为纵轴，以h为横轴建立坐标系，描点作图，若所有操作均正确，则得到的v2h图象应是________．解析：(1)验证机械能守恒定律只需验证重力势能的减少量等于动能的增加量即可．求D点的速度，不能用自由落体运动公式．重物携带纸带下落，由于受到阻力作用，严格来说不是自由落体运动．若采用自由落体运动公式求速度，就等于认为机械能守恒，验证失去意义，所以甲同学的方法错误．乙同学利用做匀变速直线运动的物体在某段时间内的平均速度等于该段时间中间时刻的瞬时速度得出D点的速度vD＝xBF4·5T＝xBFf20＝3.81m/s.根据表格中打各个点时的速度和对应的时间，在vt坐标系中描点，拟合成直线得到vt图象．(2)由vt图象的斜率表示加速度可以计算出重物下落的加速度a＝ΔvΔt＝3.50.4m/s2＝8.75m/s2.由加速度a＝8.75m/s2g，可知重物下落过程中机械能减小，可能是由重物受到空气阻力和纸带受到摩擦力造成的．(3)若所有操作均正确，则机械能守恒，满足mgh＝12mv2，即v2＝2gh，所以得到的v2h图象为倾斜直线，即图象C正确．答案：(1)乙3.81作出的vt图象如图所示(2)8.75m/s2减小重物受到空气阻力和纸带受到摩擦力(3)C4．[数据处理及分析](2016·高考北京卷)利用如图所示装置做“验证机械能守恒定律”实验．(1)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的________．A．动能变化量与势能变化量B．速度变化量与势能变化量C．速度变化量与高度变化量(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是________．A．交流电源B．刻度尺C．天平(含砝码)(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图所示的一条纸带．在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC.已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T.设重物的质量为m.从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp＝________，动能变化量ΔEk＝________.(4)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是____．A．利用公式v＝gt计算重物速度B．利用公式v＝2gh计算重物速度C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响D．没有采用多次实验取平均值的方法(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2­h图象，并做如下判断：若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒．请你分析论证该同学的判断依据是否正确．解析：(1)重物下落过程中重力势能减少，动能增加，故该实验需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量在误差范围内是否相等，A项正确．(2)电磁打点计时器使用的是交流电源，故要选A；需要测纸带上两点间的距离，还需要刻度尺，故要选B；根据mgh＝12mv2－0可将等式两边的质量抵消，不需要天平，不需用C.(3)重物的重力势能变化量为ΔEp＝－mghB，动能的变化量ΔEk＝12mvB2＝12m(hC－hA2T)2.(4)重物重力势能的减少量略大于动能的增加量，是因为重物下落过程中存在空气阻力和摩擦阻力的影响，C正确．(5)该同学的判断依据不正确，在重物下落h的过程中，若阻力Ff恒定，根据mgh－Ffh＝12mv2－0，得v2＝2(g－Ffm)h可知，v2­h图象也是过原点的一条直线．要想通过v2­h图象的方法验证机械能是否守恒，还必须看图象的斜率是否接近2g.答案：(1)A(2)AB(3)－mghB12m(hC－hA2T)2(4)C(5)不正确，理由见解析考点三实验创新设计在高考中往往以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性、创新性等特点．创新角度实验装置图创新解读实验原理创新(2013·高考新课标全国卷Ⅱ)1.利用机械能守恒定律确定弹簧弹性势能．2.由平抛运动测量速度．3.以平抛水平距离s为纵坐标，弹簧的压缩量Δx为横坐标作s­Δx图线处理数据．创新角度实验装置图创新解读实验器材创新(2016·高考江苏卷)1.利用钢球摆动过程来验证机械能守恒定律．2.用光电门测定摆球的瞬时速度．实验目的创新(2016·高考全国卷Ⅱ)1.利用弹性势能和动能之间的相互转化，结合纸带探究弹性势能．2.利用纸带点迹很简洁的分析弹性势能的大小.5.(2016·高考全国卷Ⅱ)某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图(a)所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物块连接．向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势能．(a)(1)实验中涉及下列操作步骤：①把纸带向左拉直②松手释放物块③接通打点计时器电源④向左推物块使弹簧压缩，并