1、上一页返回首页下一页高三一轮总复习重应用实验专练攻专项实验探究提能力考向细研实验五 验证机械能守恒定律 上一页返回首页下一页高三一轮总复习 实验目的验证机械能守恒定律 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上一页返回首页下一页高三一轮总复习2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 v 2t.计算打第 n 个点瞬时速度的方法是：测出第 n 个
2、点的相邻前后两段相等时间 T 内下落的距离 xn 和 xn1，由公式 vnxnxn12T或 vnhn1hn12T算出，如图实-5-1 所示图实-5-1上一页返回首页下一页高三一轮总复习 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)上一页返回首页下一页高三一轮总复习 实验过程一、实验步骤1仪器安装按图实-5-2 所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路图实-5-22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
3、重复做 35 次实验上一页返回首页下一页高三一轮总复习3选纸带分两种情况说明(1)如果根据12mv2mgh 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 2 mm 的纸带若 1、2 两点间的距离大于 2 mm，这是由于先释放纸带，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(2)如果根据12mv2B12mv2Amgh 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 两点间的距离是否为 2 mm 就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用上一页返回首页下一页高三一轮总复习二、数据处理1求瞬时速
4、度由公式 vnhn1hn12T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，ghn12v2n，则说明机械能守恒定律是正确的上一页返回首页下一页高三一轮总复习方法二：任取两点 A、B 测出 hAB，算出 ghAB 和12v2B12v2A 的值，如果在实验误差允许的范围内，ghAB12v2B12v2A，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
5、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象是一条过原点且斜率为 g 的直线，则验证了机械能守恒上一页返回首页下一页高三一轮总复习 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 Ek 稍小于重力势能的减少量 Ep，即 EkEp，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个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 点测量时，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上一页返回首页下一页高三一轮总复习 注意事项1应尽可能控制实验条
6、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锤，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，接通电源后，打点计时器工作稳定后再松开纸带上一页返回首页下一页高三一轮总复习3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 cm8
7、0 cm 之间5速度不能用 vngtn 或 vn 2ghn计算，否则犯了用机械能守恒定律验证机械能守恒的错误上一页返回首页下一页高三一轮总复习 实验改进1物体的速度可以用光电计时器测量，以减小由于测量和计算带来的误差2整个实验装置可以放在真空的环境中操作，如用牛顿管和频闪照相进行验证，以消除由于空气阻力作用而带来的误差3可以利用气垫导轨来设计该实验，以减小由于摩擦带来的误差4为防止重物被释放时的初速度不为零，可将装置改成如图实-5-3 所示形式，剪断纸带最上端，让重物从静止开始下落上一页返回首页下一页高三一轮总复习图实-5-3上一页返回首页下一页高三一轮总复习考向 1 实验原理与操作(2016
8、北京高考)利用图实-5-4 装置做“验证机械能守恒定律”实验图实-5-4(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速度变化量和势能变化量C速度变化量和高度变化量上一页返回首页下一页高三一轮总复习(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)上一页返回首页下一页高三一轮总复习(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到图实-4-5 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
9、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 Ep_，动能变化量 Ek_.图实-5-5上一页返回首页下一页高三一轮总复习(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 vgt 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 v2-h 图像，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，则重物下落
10、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上一页返回首页下一页高三一轮总复习【规范解答】(1)在“验证机械能守恒定律”实验中，重物下落，重力势能减少，动能增加，要验证机械能是否守恒，需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大小是否相等，故选 A.(2)实验时用到电磁打点计时器，则必须使用交流电源在计算动能和势能变化量时，需用刻度尺测量位移和重物下落高度在比较动能变化量和势能变化量是否相等时需验证12m(v22v21)mgh 是否成立，而等式两边可约去质量 m，故不需要天平故选 A、B.上一页返回首页下一页高三一轮总复习(3)从打 O 点到打 B 点的过程中，重物下落 h
11、B，重力势能减少，则重物的重力势能变化量 EpmghB.动能增加，则动能的变化量 Ek12mv2B012mhChA2T2012mhChA2T2.(4)重物在下落过程中，除受重力外还存在空气阻力和摩擦阻力的影响，重物的重力势能要转化为重物的动能和内能，则重力势能的减少量大于动能的增加量，选项 C 正确上一页返回首页下一页高三一轮总复习(5)不正确v2-h 图像为一条直线，仅表明物体所受合力恒定，与机械能是否守恒无关例如，在本实验中若存在恒定阻力，则物体的机械能不守恒，但mghfh12mv2，v22g fm h，v2-h 为一条过原点的直线，故该同学判断不正确要想通过 v2-h 图像的方法验证机械
12、能是否守恒，还必须看图像的斜率是否接近 2g.上一页返回首页下一页高三一轮总复习【答案】(1)A(2)AB(3)mghB12mhChA2T2(4)C(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 f 恒定，根据 mghfh12mv20v22g fm h 可知，v2-h 图像就是过原点的一条直线要想通过 v2-h 图像的方法验证机械能是否守恒，还必须看图像的斜率是否接近 2g.上一页返回首页下一页高三一轮总复习考向 2 数据处理与误差分析 在用落体法验证机械能守恒定律时，某同学按照正确的操作选得纸带如图实-5-6 所示其中 O 是起始点，A、B、C 是打点计时器连续打下的 3 个点
13、该同学用毫米刻度尺测量 O 到 A、B、C 各点的距离，并记录在图中(单位cm)图实-5-6上一页返回首页下一页高三一轮总复习(1)这三个数据中不符合读数要求的是_，应记作_cm.(2)该同学用重锤在 OB 段的运动来验证机械能守恒，已知当地的重力加速度 g9.80 m/s2，他用 AC 段的平均速度作为跟 B 点对应的物体的瞬时速度，则该段重锤重力势能的减少量为_，而动能的增加量为_，(均保留 3位有效数字，重锤质量用 m 表示)这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量_动能的增加量，原因是_上一页返回首页下一页高三一轮总复习【规范解答】本实验测量长度用的是毫米刻度尺，故三个数据中 15.7
14、 是不合理的，应记做 15.70，最后一位是估读；O 点到 B 点的距离 h12.54 cm，故减少的势能 Epmgh1.23m；计算 O 点到 B 点的动能增加量，应先计算出B 点的瞬时速度 vB，由图可知：vBxAC2T0.15700.095120.02 m/s1.5475 m/s，故 Ek12mv2B1.20m由以上数据可知 EpEk，其原因在于纸带与限位孔之间有摩擦或空气阻力对实验也带来影响【答案】(1)15.7 15.70(2)1.23m 1.20m 大于 有阻力做负功上一页返回首页下一页高三一轮总复习考向 3 实验创新设计 现要通过实验验证机械能守恒定律实验装置如图实-5-7 所示
15、水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上 A 点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为 M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为 m 的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上 B 点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间 t，用 d 表示 A 点到导轨底端 C 点的距离，h 表示 A 与 C 的高度差，b 表示遮光片的宽度，s 表示 A、B 两点的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过 B 点时的瞬时速度用 g 表示重力加速度完成下列填空和作图上一页返回首页下一页高三一轮总复习图实-5-7(1)若将滑块自 A 点由静止释放，则在滑块从 A 运动至 B 的过程中，滑块、遮
16、光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为_动能的增加量可表示为_若在运动过程中机械能守恒，1t2与 s 的关系式为1t2_.上一页返回首页下一页高三一轮总复习(2)多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点(A 点)下滑，测量相应的s 与 t 值结果如表所示：12345s/m0.6000.8001.0001.2001.400t/ms8.227.176.445.855.431t2/104 s21.481.952.412.923.39上一页返回首页下一页高三一轮总复习以 s 为横坐标，1t2为纵坐标，在图实-5-8 坐标纸中描出第 1 和第 5 个数据点；根据 5 个数据点作直线，求得该直线的
17、斜率 k_104 m1s2(保留 3位有效数字)由测得的 h、d、b、M 和 m 数值可以计算出1t2-s 直线的斜率 k0，将k 和 k0 进行比较，若其差值在实验允许的范围内，则可认为此实验验证了机械能守恒定律上一页返回首页下一页高三一轮总复习图实-5-8上一页返回首页下一页高三一轮总复习【规范解答】(1)当滑块运动到 B 点时下降高度为 h，此时砝码上升的高度为 s，由几何关系可知 hhsd，故系统减少的重力势能为 EpMghmgsMhmdgsd.由于系统从静止开始运动，运动至 B 点时的速度 vBbt，故动能的增加量 Ek12(Mm)v2BMmb22t2.由 EpEk 可解得1t22MhmdgsMmdb2.上一页返回首页下一页高三一轮总复习(2)描点及作直线见图在图中直线上取相距较远的两点，读出两点坐标，由 k1t2s 可得k2.40104 m1s2.【答 案】(1)Mhmdgsd Mmb22t2 2MhmdgsMmdb2(2)描点与作图见解析 2.40上一页返回首页下一页高三一轮总复习重应用实验专练 点击图标进入
