1、必修 2 第五章 机械能守恒定律第五讲实验:验证机械能守恒定律考点知识诊断 热点题型探究 难点能力突破 课后作业 考点知识诊断知识清单一、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 个点速度的方法：测出第 n 个点与相邻前后点间的距离 xn和 xn1，由公式 vnxnxn12T或vnhn1hn12T算出，如图所示三、实验器材 铁架台(含铁夹
2、)，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、实验步骤1安装装置：按图将检查、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 35 次实验3选纸带：在打好点的纸带中挑选点迹清晰且打点呈一条直线的一条纸带第 12 点间距接近 2 mm.4数据处理：在起始点标上 0，在以后各点依次标上 1、2、3用刻度尺测出对应下落高度 h1、h2、h3利用公式 vnhn1hn12T计算出点 1、点 2、点 3
3、、的瞬时速度 v1、v2、v3计算相应的动能12mv2n.比较12mv2n与 mghn 是否相等五、实验结论在重力作用下，物体的重力势能和动能可以互相转化，但总的机械能守恒.考点诊断1.在做“验证机械能守恒定律”实验时，发现重锤减少的重力势能总是大于重锤增加的动能，造成这种现象的原因是()A选用的重锤质量过大B选用的重锤质量过小C空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力D实验时操作不够细致，实验数据测量不准确解析 重锤和纸带下落过程中要克服阻力做功，因此重锤减少的重力势能略大于重锤增加的动能，故 C 正确答案 C2某位同学做“验证机械能守恒定律”的实验，下列操作步骤中错误的是()A把打点计时器
4、固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源上B将连有重锤的纸带穿过限位孔，将纸带和重锤提升到一定高度C先释放纸带，再接通电源D更换纸带，重复实验，根据记录处理数据解析 根据验证机械能守恒定律的实验要求，应先接通电源，再释放纸带，故 C 选项是错误的，A、B、D 均符合实验要求答案 C3利用图中所示的装置可以研究自由落体运动实验中需要调整好仪器，接通打点计时器的电源，松开纸带，使重物下落打点计时器会在纸带上打出一系列小点(1)为了测得重物下落的加速度，还需要的实验器材有_(填入正确选项前的字母)A天平 B秒表 C米尺(2)若实验中所得到的重物下落的加速度值小于当地的重力加速度值，而实验操作与数据处
5、理均无错误，写出一个你认为可能引起此误差的原因：_.答案(1)C(2)打点计时器与纸带间存在摩擦解析(1)由 saT2可知为测重物的加速度 a，需要用米尺测量相邻计数点间的距离，选项 C 正确(2)从产生加速度的原因即受力的角度思考误差原因4有 4 条用打点计时器(所用交流电频率均为 50 Hz)打出的纸带 A、B、C、D，其中一条是做“验证机械能守恒定律”实验时打出的为找出该纸带，某同学在每条纸带上选取了点迹清晰的、连续的 4 个点，用刻度尺测出相邻两个点间的距离依次为 s1、s2、s3.请你根据下列 s1、s2、s3的测量结果确定该纸带为_(已知当地的重力加速度为 9.791 m/s2)A
6、61.0 mm 65.8 mm 70.7 mmB41.2 mm 45.1 mm 53.0 mmC49.6 mm 53.5 mm 57.3 mmD60.5 mm 61.0 mm 60.6 mm答案 C解析 在“验证机械能守恒定律”实验中，物体做自由落体运动，相邻两段位移差为 hs2s1s3s2gt29.7910.022 m3.92 mm，只有选项 C 中数据符合要求热点题型探究题型归纳题型一实验原理【例 1】如图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平回答下列问题：(1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有_(填入正确选项
7、前的字母)A米尺B秒表C10 V 以下的直流电源D10 V 以下的交流电源(2)实验中误差产生的原因有_.(写出两个原因)解析(1)需要米尺来测量两点之间的距离，电磁打点计时器需用交流电源，故选 A、D.(2)纸带与电磁打点计时器之间存在摩擦阻力；测量两点之间距离时的读数有误差；计算势能变化时，选取的两点距离过近；交变电流频率不稳定(选取两个原因即可)答案(1)AD(2)见解析题型二实验数据的处理【例 2】“验证机械能守恒定律”的实验采用重锤自由下落的方法：(1)用公式12mv2mgh 时，对纸带上起点的要求是_；为此目的，所选择的纸带第 1、2 两点间距应接近_(2)若实验中所用重锤质量 m
8、1 kg，打点纸带如图所示，图中数据为各点到 O 点的距离，打点时间的间隔为0.02 s，则记录 B 点时，重锤的速度 vB_，重锤动能 EkB_.从开始下落起至 B 点，重锤的重力势能减少量是_，因此可得出的结论是_(g 取 9.8 m/s2)(3)根据纸带算出相关各点的速度 v，量出下落距离 h，则以v22 为纵轴，以 h 为横轴画出的图像应是图中的()解析(1)由公式12mv2mgh 验证机械能守恒，其中12mv2 是从开始下落到参考点的动能增加量，因此，初速度应该为零，而时间间隔 T0.02 s，则h12gT2129.80.022 m2103 m2 mm.(2)vB vACsAC2T3
9、1.27.81030.04 m/s0.585 m/s.由 Ek12mv2 得 EkB12mv2B121(0.585)2 J0.171 J，EpBmghOB19.817.6103 J0.172 J.由此可得出结论：在误差允许的范围内重锤动能的增加量等于重锤重力势能的减少量(3)由12mv2mgh，得12v2gh，所以12v2h 图像是一条过原点的直线，直线斜率大小等于 g，所以选项 C 正确答案(1)打第一个点时物体刚好开始下落 2 mm(2)0.585 m/s 0.171 J 0.172 J 在误差允许的范围内重锤的机械能守恒(3)C点评 图像法处理实验数据：从纸带上选取多个点，测出各点的下落
10、高度 h，并计算出各点的速度，以12v2 为纵轴，以 h 为横轴作出12v2h 图像，若在误差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.难点能力突破难点突破一、验证方法方法一：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条件下，ghn12v2n，则机械能守恒定律是正确的方法二：任取两点计算1任取两点 A、B 测出 hAB，算出 ghAB.2算出12v2B12v2A的值3看在实验误差允许的条件下，ghAB12v2B12v2A，则机械能守恒定律是正确的方法三：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v
11、2，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像是一条过原点且斜率为 g 的直线，则验证了机械能守恒二、注意事项1打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，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3实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，待接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带4测下落高度时，要从第一个打点测起，并且各点对应下落高度要一次测量完5不需测出物体质量，只需验证12v2nghn 即可6速度不能用 vngtn 或 vn
12、2ghn计算，因为只要认为加速度为 g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用 vngtn计算出的速度比实际值大，会得出机械能增加的结论，而因为摩擦阻力的影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算同样的道理，重物下落的高度 h，也只能用刻度尺直接测量，而不能用 hn12gt2n或 hnv2n2g计算得到三、误差分析1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 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办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力2本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶
13、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，或者多次测量取平均值来减小误差.高考能力考向 验证机械能守恒定律(2011海南)现要通过实验验证机械能守恒定律实验装置如图甲所示：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 两点间的距离，将遮光片通过
14、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：(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_.(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 值结果如下表所示：12345s(m)0.600 0.8001.0001.2001.400t(ms)8.227.176.445.855.431/t2(104s2)1.481.952.412.923.39以 s 为横坐标，1t2为纵坐标，在答题卡上对应图位置的坐标纸中描出第 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1t2s 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答案(1)Mhmdgsd mMb22t2 2MhmdgMmdb2 s(2)图略 2.33课后作业