【优化方案】2014届高考物理(大纲版)一轮复习配套课件：实验六-验证机械能守恒定律

实验六验证机械能守恒定律本节目录基础理论储备经典例题展示创新实验评析知能优化演练目录基础理论储备实验目的利用自由落体运动验证只有重力作用下的物体机械能守恒．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．目录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sn和sn＋1，由公式vn＝sn＋sn＋12T或vn＝hn＋1－hn－12T算出，如图所示．目录实验器材铁架台(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)．实验步骤1．安装置：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．目录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3次～5次实验．3．选纸带：分两种情况说明(1)用12mv2n＝mghn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．若1、2两点间的距离大于2mm，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．目录(2)用12mv2B－12mv2A＝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为2mm就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用．目录数据处理1．求瞬时速度在第一个打点上标出O，并从稍靠后的某一点开始，依次标出1、2、3、4、…并量出各点到位置O的距离h1、h2、h3、h4、….用公式vn＝hn＋1－hn－12T计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3、v4、….2．验证守恒法一：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，ghn＝12v2n，则说明机械能守恒定律是正确的．目录法二：任取两点计算(1)任取两点A、B测出hAB，算出ghAB.(2)算出12v2B－12v2A的值．(3)如果在实验误差允许的范围内，ghAB＝12v2B－12v2A，则说明机械能守恒定律是正确的．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定律．目录误差分析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ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEkΔEp，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，属偶然误差．减小误差的办法是测下落距离时都从O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．注意事项1．应尽可能控制实验条件，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．目录(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．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．3．验证机械能守恒时，可以不测出物体质量，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60cm～80cm之间．目录5．速度不能用vn＝gtn或vn＝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vn＝gtn计算出的速度比实际值大，会得出机械能增加的错误结论，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hn＝12gt2n或hn＝v2n2g计算得到．目录拓展创新物体下落过程中通过某一位置的速度可以用光电计时器测出来，利用这种装置验证机械能守恒定律，能消除纸带与限位孔的摩擦阻力带来的系统误差；也可以把电磁打点计时器更换成电火花式计时器，以消除计时器的振针在打点时对纸带产生的阻力；还可以把整个装置放在一个真空的环境中，以消除由于空气阻力作用而带来的误差．目录经典例题展示例1考点1数据处理及误差分析(2013·如皋统考)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，如图所示,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目录根据以上数据，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．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：(1)_____________________________________________；(2)_____________________________________________．目录【解析】由于每两个相邻计数点之间还有4个点没有画出，所以每两个相邻计数点之间的时间间隔为0.1s，同时可求得：AB＝86.00cm－50.50cm＝35.50cm＝0.3550mBC＝130.50cm－86.00cm＝44.50cm＝0.4450m根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可得：v中＝v＝AC2T＝OC－OA2T＝130.50－50.50×10－22×0.1m/s＝4.00m/s目录即vB＝4.00m/s由O点运动到B点下落的距离为：sOB＝86.00cm＝0.86m重力势能减少了EpB＝mgh＝1.00×9.80×0.86J＝8.43J根据求得的B点速度可得重物由O点运动到B点动能增加了ΔEkOB＝12mv2＝12×1.00×(4.00)2J＝8.00J由Δs＝aT2可求得纸带下落的加速度a＝ΔsT2＝BC－ABT2＝0.090.12m/s2＝9.00m/s2根据牛顿第二定律得：mg－Ff＝ma目录从A到B下落的过程中所受到的平均阻力为Ff＝mg－ma＝1.00×9.80N－1.00×9.00N＝0.800N分析纸带受到的力有：重力、重物受到的空气阻力、纸带与限位孔之间的摩擦力等力的作用，所以阻力的来源是以上除重力之外的力．【答案】4.008.438.009.000.800重物受到的空气阻力纸带与限位孔之间的摩擦力目录例2考点2验证机械能守恒定律的其他方法(2010·高考海南卷)利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图甲所示：目录(1)实验步骤：①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1m，将导轨调至水平．②用游标卡尺测量挡光条的宽度l，结果如图乙所示，由此读出l＝________mm.③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝________cm.④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2.⑤从数字计时器(图甲中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2.⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m.目录(2)用表示直接测量量的字母写出下列所求物理量的表达式：①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1＝________和v2＝________.②当滑块通过光电门1和光电门2时,系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1＝________和Ek2＝______.③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少ΔEp＝________(重力加速度为g)．(3)如果ΔEp≈________，则可认为验证了机械能守恒定律．目录【解析】(1)按照读数规则可读得，游标卡尺读数为l＝9.30mm；两光电门中心之间距离为s＝60.00cm.(2)①通过光电门的时间较短，可认为通过光电门时速度恒定，则v1＝lΔt1、v2＝lΔt2.②滑块通过光电门1、2时的动能分别为Ek1＝12(M＋m)v21＝12(M＋m)lΔt12，Ek2＝12(M＋m)v22＝12(M＋m)lΔt22.③系统势能的减少即为托盘和砝码重力势能的减少，ΔEp＝mgs.目录(3)系统动能的增加量等于系统势能减少量时，即ΔEp＝Ek2－Ek1时，可认为验证了机械能守恒定律．【答案】(1)②9.30③60.00(59.96～60.04之间都算对)(2)①lΔt1lΔt2②12(M＋m)lΔt1212(M＋m)lΔt22③mgs(3)Ek2－Ek1目录创新实验评析【范例】(2011·高考海南卷)现要通过实验验证机械能守恒定律．实验装置如图所示：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；导轨上的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：目录(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＝________.目录(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)0.6000.8001.0001.2001.400t(ms)8.227.176.445.855.431/t2(104s－2)1.481.952.412.923.39以s为横坐标，1t2为纵坐标，在坐标纸中描出第1个和第5个数据点；根据5个数据点作直线，求得该直线的斜率k＝________×104m－1·s－2(保留3位有效数字)．目录目录由测得的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．【解析】(1)当滑块运动到B点时下降高度设为h′，此时砝码上升的高度为s，由几何关系可知h′＝hsd，故系统减少的重力势能为Ep＝Mgh′－mgs＝Mh－mdgsd.由于系统从静止开始运动，运动至B点时的速度vB＝bt，故动能的增加量ΔEk＝12(M＋m)v2B＝M＋mb22t2.目录由ΔEp＝ΔEk可解得1t2＝2Mh－mdgM＋mdb2s.(2)描点及作直线如图所示．目录在图中直线上取相距较远的两点，读出两点坐标，由k＝Δ1t2Δs可得k＝2.40×104m－1·s－2.【答案】(1)Mh－mdgsdM＋mb22t22Mh－mdgsM＋mdb2(2)2.40描点与作图见解析【名师点评】该题的创新体现在以下两方面：(1)实验原理和器材的创新：由验证单个物体机