（新课标）2020高考物理一轮复习 5.6 实验：验证机械能守恒定律课件 新人教版

5．6实验：验证机械能守恒定律知识清单考点整合集中记忆一、实验目的：验证机械能守恒定律二、实验原理验证自由落体运动中，物体重力势能的减少量和动能的增加量相等．三、实验器材铁架台(带铁夹)、打点计时器、重锤、纸带、复写纸、导线、刻度尺、交流电源(4V～6V)四、实验步骤按如图所示安装器材．先接通电源，再释放纸带．更换纸带重复操作几次．选取点迹清晰的纸带．在纸带上第一个点及距离较远的点，依次标上0、1、2、3….测出0点到点1、2、3…的距离，即为对应的下落高度h1、h2、h3….五、数据处理计算速度利用公式vn＝hn＋1－hn－12T，计算出点1、2、3、…的瞬时速度v1、v2、v3、…验证守恒方法一：利用起始点到较远的点，验证12mv2＝mgh成立．方法二：任取两点A、B，验证12mvB2－12mvA2＝mghAB成立．方法三：利用图像，从第一点到某点的下落高度h，该点的速度v，绘出12v2­h图线，若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、注意事项为了减小阻力，铁架台应竖直安装．重物应选用质量大、体积小、密度大的材料．应先接通电源打点，再放开纸带让重锤下落．本实验不需要测出物体的质量．计算速度时不能用v＝gt或v＝2gh.考点讲练考点突破针对训练考点一实验原理与操作本实验是利用自由落体运动验证机械能守恒定律，测出物体下落的高度及初、末位置的速度是实验的关键，操作上注意三点：1．重锤要靠近打点计时器．2．纸带要保持竖直．3．先接通电源再放开纸带．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________．(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12mvn2和mghn，在实验误差允许的范围内看是否相等【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)ADBCEF【解析】(1)要验证从第2点到第6点之间的纸带对应重物运动的过程中机械能守恒，应测出第2点到第6点的距离h26，要计算第2点和第6点的瞬时速度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.(2017·天津)如图所示，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________．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】①AB②BC【解析】①实验供选择的重物应该相对质量较大、体积较小的物体，这样能减小摩擦阻力的影响，从而减小实验误差，A项正确．为了减小纸带与限位孔之间的摩擦，两限位孔必须在同一竖直线，从而减小实验误差，B项正确．因为我们是比较mgh、12mv2的大小关系，故m可约去，不需要测量重锤的质量，C项错误．实验时，先接通打点计时器电源再放手松开纸带，对减小实验误差没有影响，D项错误．②根据这段时间内的平均速度等于中间时刻瞬时速度，结合计算重力势能需要的下落高度，只有B、C两项正确．考点二数据处理与误差1．速度计算计算速度必须用v＝x1＋x22T，要注意两个误区：(1)本实验要验证机械能守恒定律，不能用该定律的推导式v＝2gh求速度．(2)要用实验数据求速度，不能用理论推导式v＝gt求速度．2．系统误差由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，重物减少的重力势能大于增加的动能．某个小组的三位同学按照正确的操作选得纸带如图．其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点．该同学用毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离，用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，已知当地的重力加速度g＝9.80m/s2，打点计时器所用电源频率为f＝50Hz，设重锤质量为1.00kg.(1)甲同学发现，图中的B是除起始点外打点计时器打下的第n个点．因此他用vB＝ngT(T是打点计时器的打点周期)计算B点对应时刻重锤的速度，这样得到的结果是重力势能的减少量________动能的增加量(填“大于”“小于”或“等于”)．(2)乙同学认为，可以利用O点到B点的距离hB计算B点对应时刻物体的速度vB＝2ghB，这样得到的结果是重力势能的减少量________动能的增加量(填“大于”“小于”或“等于”)．(3)丙同学用AC段的平均速度作为跟B点对应的重锤的瞬时速度，若hA＝9.51cm，hB＝12.42cm，hC＝15.70cm，则丙同学算得该段重锤重力势能的减少量为________J，而动能的增加量为________J(计算结果保留三位有效数字)，这样得到的结果是重力势能的减少量________动能的增加量(填“大于”“小于”或“等于”)．(4)你认为三个同学的数据处理方法中较合理的是________．(选填甲、乙、丙)【答案】(1)小于(2)等于(3)1.221.20大于(4)丙【解析】甲同学用vB＝ngT求得的速度vB为理论值，但由于实验中存在阻力，重锤实际下落的高度比理论上在nT时间内下落的小，故造成重力势能的减少小于动能的增加．乙同学用机械能守恒定律验证机械能守恒，故得到的重力势能的减少等于动能的增加．在丙同学的验证中，重力势能减少ΔEp＝mghB＝1.22J；vB＝hC－hA2T＝1.55m/s，故增加的动能ΔEk＝12mvB2＝12×1×1.552J＝1.20J，由于实验中阻力做功，使得重锤重力势能的减少量略大于动能的增加量，丙同学的数据处理方法较合理．在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，质量m＝1.00kg的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列点．如图所示为选取的一条符合实验要求的纸带，O为第一个点(速度恰好为零)，每两个计数点之间还有四个点未画出，选连续的3个计数点A、B、C作为测量的点，经测量知道A、B、C各点到O点的距离分别为50.50cm、86.00cm、130.50cm.已知打点计时器每隔0.02s打一次点，当地的重力加速度g＝9.80m/s2.(1)根据以上数据，可计算出打B点时的速度vB＝________m/s；重物由O点运动到B点，重力势能减少了________J，动能增加了________J.(2)根据所测量的数据，还可以求出物体实际下落的加速度为________m/s2，物体在从A到B下落的过程中所受到的平均阻力为________N(计算结果都要保留3位有效数字)，该阻力的来源主要有：____________________．(3)关于实验误差，以下说法正确的是()A．纸带越短，克服摩擦力做的功就越少，误差就越小，因此纸带越短越好．B．重物应选用质量大、体积小、密度大的材料．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(4)若测出纸带上所有各点到O点之间的距离，根据纸带算出各点的速度v及物体下落的高度h，则以v22为纵轴，以h为横轴画出的图像是图中的________．【答案】(1)4.008.438.00(2)9.000.800空气阻力和纸带与限位孔之间的摩擦力(3)BD(4)A【解析】(1)每两个相邻计数点之间的时间间隔为0.1s，可求得AB＝86.00cm－50.50cm＝35.50cm＝0.3550m，BC＝130.50cm－86.00cm＝44.50cm＝0.4450m，vB＝v－＝AC2T＝OC－OA2T＝（130.50－50.50）×10－22×0.1m/s＝4.00m/s由O点运动到B点下落的距离为h＝86.00cm＝0.86m，重力势能减少了EpB＝mgh＝1.00×9.80×0.86J≈8.43J，重物由O点运动到B点动能增加了ΔEkOB＝12mvB2＝12×1.00×(4.00)2J＝8.00J(2)由Δx＝aT2可求得：a＝ΔxT2＝BC－ABT2＝0.090.12m/s2＝9.00m/s2根据牛顿第二定律得mg－Ff＝ma平均阻力为Ff＝mg－ma＝1.00×9.80N－1.00×9.00N＝0.800N该阻力的来源主要有：空气阻力、纸带与限位孔之间的摩擦力．(3)A项中，纸带过短，长度测量的相对误差较大，故A项错误；选用重物质量大、体积小、密度大的材料，可减小阻力，故B项正确；对C项中的纸带，除去1、2两点，可选距离合适的任意两点M、N，通过计算ΔEk＝12mvN2－12mvM2与mghMN比较，不会增加实验误差，故C项错误；除去1、2两点距离可能很小，其他相邻两点间的距离用毫米刻度尺测量完全可以，故D项正确．(4)由机械能守恒定律可知mgh＝12mv2，故有v22＝gh，A项正确．考点三实验拓展与创新在验证机械能守恒定律的各种方案中，测量速度是实验的关键，主要类型有：1．利用光电门测速度(见练5)．2．利用平抛法测速度(见练6)．3．利用小球摆动装置(见练7)．4．利用滑轮装置(见练8)．5．探究弹簧的弹性势能(见练9)．(2018·茂名一模)某活动小组利用图甲所示装置验证机械能守恒定律．钢球自由下落过程中，先后通过光电门A、B，计时装置测出钢球通过A、B的时间分别为tA、tB.用钢球通过光电门的平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度．测出两光电门间的距离为h，当地的重力加速度为g.(1)用游标卡尺测量钢球的直径，读数如图乙所示，钢球直径为D＝________cm.(2)要验证机械能守恒，只要比较________(选填项前的字母序号)即可．A．(1tA2－1tB2)D2与gh是否相等B．(1tA2－1tB2)D2与2gh是否相等C．(1tB2－1tA2)D2与gh是否相等D．(1tB2－1tA2)D2与2gh是否相等(3)钢球通过光电门的平均速度________(选填“＞”或“＜”)钢球球心通过光电门的瞬时速度．【答案】(1)0.950(2)D(3)【解析】(1)游标卡尺的主尺读数为：0.9cm，游标尺上第10个刻度和主尺上某一刻度对齐，游标读数为0.05×10mm＝0.50mm＝0.050cm，所以读数为：0.950cm.(2)利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度，故：v＝Dt根据机械能守恒的表达式有：mgh＝12mD2(1tB2－1tA2)；即只要比较D2(1tB2－1tA2)与2gh是否相等，故D项正确，A、B、C三项错误．(3)钢球通过光电门的平均速度等于这个过程中中间时刻速度，中间时刻速度小于中间位置的速度，所以钢球通过光电门的平均速度＜钢球球心通过光电门的瞬时速度．(2018·南宁二模