2019年度高考物理一轮复习第五章机械能实验六验证机械能守恒定律学案.doc

1、【 精品教育资源文库 】 实验六 验证机械能守恒定律 1.实验目的 验证机械能守恒定律 . 2.实验原理 (如图 1 所示 ) 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 . 图 1 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低压电源相连 . (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

2、纸带上打出一系列的点，取下纸带，换上新的纸带重打几条 (35 条 )纸带 . (3)选纸带：分两种情况说明 若选第 1 点 O 到下落到某一点的过程，即用 mgh 12mv2来验证，应选点迹清晰，且第 1、 2两点间距离小于或接近 2mm 的纸带 . 用 12mv2B 12mv2A mg h 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【 精品教育资源文库 】 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 . 1.误差分析 (1)测量误差：减小测量误差的方法，一是测下落

3、距离时都从 0 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 Ek 12mvn2必定稍 小 于重力势能的减少量 Ep 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 hn 1 hn 12T ，不能用

4、 vn 2ghn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 12mv2B 12mv2A的值 . (3)在实验误差允许的范围内，若 mghAB 12mv2B 12mv2A，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

5、实验数据作出 12v2 h 图象 .若在误差允许的范围内图象【 精品教育资源文库 】 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 . 命题点一 教材原型实验 例 1 (2017 天津理综 9(2) 如图 2 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 . 图 2 (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，撤手释放重物 (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，

6、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 3 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 . 图 3 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 (1)AB (2)BC 解析 (1)重物选用质量和密度较大的金属锤，能够减小空气阻力的影响，以减小误差，故A 正确；两限位孔在同一竖直面内上下对正，减小纸带和打点计时器之间的阻力，以减小误

7、【 精品教育资源文库 】 差，故 B 正确；验证机械能守恒定律的原理是： mgh 12mv22 12mv12，重物质量可以消掉，无需精确测量出重物的质量，故 C 错误；用手托稳重物，接通电源后，撤手释放重物对减小实验误差无影响，故 D 错误 . (2)利用纸带数据，根据 mgh 12mv2即可验证机械能守恒定律 .要从纸带上测出重物下落的高度并计 算出对应的速度，选项 A、 D 的条件中，下落高度与所能计算的速度不对应；选项 B的条件符合要求，可以取重物下落 OC 时处理；选项 C 中，可以求出 C、 F 点的瞬时速度，又知 CF 间的距离，可以利用 12mv22 12mv12 mg h 验

8、证机械能守恒定律 . 变式 1 (2016 北京理综 21(2) 利用图 4 装置做 “ 验证机械能守恒定律 ” 的实验 . 图 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 (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，得到图 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

9、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 Ep，动能变化量 Ek . 图 5 (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 . 【 精品教育资源文库 】 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

10、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是否正确 . 答案 (1)A (2)AB (3) mghB 12m(hC hA2T )2 (4)C (5)不正确，理由见解析 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允许范围内是否相等， A 项正确 . (2)电磁打点计时器使用的是交流电源，故选 A.需要测纸带上两点间的距离，还需要刻度尺，选 B.根据 mg h 12mv22 12mv12可将等式两边的质量抵消，不需要天平，不选 C. (3)重物的重力势能变化量为 Ep

11、 mghB，动能的变化量 Ek 12mv2B 12m(hC hA2T )2. (4)重物重力势能的减少量大于动能的增加量，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，则 v2 2(g Ffm)h 可知， v2 h 图象就是过原点的一条直线 .要想通过 v2 h 图象来验证机械能是否守恒， 还必须看图象的斜率是否接近 2g. 命题点二 实验创新 类型 1 实验装置的创新 例 2 某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图 6 甲所示 .在气垫导轨

12、上相隔一定距离的两处安装两个光电传感器 A、 B，滑块 P 上固定一遮光条，若光线被遮光条遮挡，光电传感器会输出高电压，两光电传感器采集数据后与计算机相连 .滑块在细线的牵引下向左加速运动，遮光条经过光电传感器 A、 B 时，通过计算机可以得到如图乙所示的电压 U 随时间 t 变化的图象 . 【 精品教育资源文库 】 图 6 (1)实验前，接通气源，将滑块 (不挂钩码 )置于气垫导轨上， 轻推滑块，当图乙中的 t1 t2(选填 “ ”“ ” 或 “ ”) 时，说明气垫导轨已经水平 . (2)用游标卡尺测遮光条宽度 d，测量结果如图丙所示，则 d mm. (3)滑块 P 用细线跨过气垫导轨左端

13、的定滑轮与钩码 Q 相连，钩码 Q 的质量为 m.将滑块 P 由图甲所示位置释放，通过计算机得到的图象如图乙所示，若 t1、 t2和 d 已知，要验证滑块和钩码组成的系统机械能是否守恒，还应测出 (写出物理量的名称及符号 ). (4)若上述物理量间满足关系式，则表明在上述过程中，滑块和钩码组成的系统机械能守恒 . 答案 (1) (2)5.0 (3)滑块质量 M和两光电门间距离 L (4)mgL 12(m M)( d t2)2 12(m M)( d t1)2 解析 (1)实验前，接通气源，将滑块 (不挂钩码 )置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的 t1 t2时，说明滑块已经匀速运动，说明气垫导轨

14、已经水平 . (2)用游标卡尺测遮光条宽度 d，则 d 5.0mm. (3)滑块经过两个光电门的速度分别为： d t2和 d t1，钩码重力势能的减少量为 mgL，故要验证 的关系是 mgL 12(m M)( d t2)2 12(m M)( d t1)2，故还应测出滑块质量 M 和两光电门间距离L. (4)若上述物理量间满足关系式 mgL 12(m M)( d t2)2 12(m M)( d t1)2，则表明在上述过程中，滑块和钩码组成的系统机械能守恒 . 变式 2 利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图 7 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和一质量为 m 的小球相连；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 点到光电门 B 处的距离，【 精品教育资源文库 】 b 表示遮光片的宽度，将遮光片通过光电门的平均速度看做滑块通过 B 点时的瞬时速度，实验时滑块在 A 处由静止开始运动 . 图 7 (1)某次实验测得倾角 30 ，重力加速度用 g 表示，滑块从 A 处到达 B 处时 m 和 M 组成的系统动能增加量可表示为 Ek，系统的重力势能减少 量可表示为 Ep，在误差允许的范围内，若 Ek