2014年《步步高》高三物理一轮复习课件(江苏专用)第四章 第5讲 实验四 验证机械能守恒定律

基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验第5讲实验四验证机械能守恒定律基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验1．减小测量误差：办法：一是测下落距离时都从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．误差分析2．误差来源：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ΔEk＝12mv2n必定稍小于势能的减少量ΔEp＝mghn，改进办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力．基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验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．重物密度要大：重物应选用质量大、体积小、密度大的材料．3．一先一后：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．注意事项4．测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝dn＋1－dn－12T，不能用vn＝2gdn或vn＝gt来计算．基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验【典例1】做“验证机械能守恒定律”实验，完成下列问题：(1)从下列器材中选出实验时所用的器材(填写编号)________．A．打点计时器(包括纸带)B．重锤C．天平D．毫米刻度尺E．秒表F．运动小车(2)打点计时器的安装要求________；开始打点计时的时候，应先________，然后________．(3)计算时对所选用的纸带要求是________．(4)实验中产生系统误差的主要原因是________，使重锤获得的动能往往________．为减小误差，悬挂在纸带下的重锤应选择__________________________．热点一实验器材的选择及误差分析基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验答案见解析解析(1)选出的器材有：打点计时器(包括纸带)、重锤、毫米刻度尺，编号分别为：A、B、D.注意因mgh＝12mv2，m可约去，故不需要用天平测重锤的质量．(2)打点计时器安装时，两个限位孔在同一竖直线上，这样才能使重锤在自由落下时，受到的阻力较小，开始打点计时时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放重锤，让它带着纸带一同落下．(3)所选的纸带点迹清晰．(4)产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计时器时存在摩擦力的作用，使得重锤获得的动能往往小于它所减少的重力势能，为减小误差，重锤应选密度大一些的．基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验【变式跟踪1】用如图4－5－1甲所示的装置“验证机械能守恒定律”．图4-5-1基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验(1)下列物理量需要测量的是________，通过计算得到的是______(填写代号)．A．重锤质量B．重力加速度C．重锤下落的高度D．与下落高度对应的重锤的瞬时速度(2)设重锤质量为m、打点计时器的打点周期为T、重力加速度为g.图乙是实验得到的一条纸带，A、B、C、D、E为相邻的连续点．根据测得的x1、x2、x3、x4写出重锤由B点到D点势能减少量的表达式________，动能增量的表达式________．由于重锤下落时要克服阻力做功，所以该实验的动能增量总是________(填“大于”、“等于”或“小于”)重力势能的减少量．基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验解析(1)重锤下落的高度用刻度尺直接测量，而与下落高度对应的重锤的瞬时速度则需要利用匀变速直线运动的规律公式计算得到．(2)重锤由B点到D点势能减少量的表达式为ΔEp＝mg(x3－x1)，动能增量的表达式为ΔEk＝12mv2D－12mv2B＝12mx4－x22T2－12mx22T2＝mx4（x4－2x2）8T2.由于重锤下落时要克服阻力做功，会有一部分机械能转化为内能，故实验中动能增量总是小于重力势能的减少量．答案(1)CD(2)mg(x3－x1)mx4（x4－2x2）8T2小于基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验【典例2】用如图4－5－2甲所示实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒．m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．图乙给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两个计数点间还有4个点(图中未标出)，计数点间的距离如图乙所示．已知m1＝50g、m2＝150g，则(g取10m/s2，结果保留两位有效数字)热点二实验数据的处理及分析基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验图4-5-2基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验(1)在纸带上打下计数点5时的速度v5＝________m/s；(2)在打点0～5过程中系统动能的增加量ΔEk＝________J，系统势能的减少量ΔEp＝________J，由此得出的结论是________________________________________________________________________；(3)若某同学作出的12v2－h图象如图4－5－3所示，则当地的实际重力加速度g＝________m/s2.图4-5-3基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验答案(1)2.4(2)0.580.60在误差允许的范围内，m1、m2组成的系统机械能守恒(3)9.7解析(1)v5＝（21.60＋26.40）×10－22×0.1m/s＝2.4m/s.(2)动能的增加量ΔEk＝12(m1＋m2)v25＝0.58J；系统势能的减少量ΔEp＝(m2－m1)gh＝0.60J，故在误差允许的范围内，两者相等，m1、m2组成的系统机械能守恒．(3)由12(m1＋m2)v2＝(m2－m1)gh，得v22h＝k＝（m2－m1）gm1＋m2＝g2，即g2＝5.821.20m/s2＝4.85m/s2，g＝9.7m/s2.基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验数据处理的方法方法一：用12mv2＝mgh验证时，利用起始点和第n点计算．如果在实验误差允许的条件下，mghn和12mv2n相等，则验证了机械能守恒定律．方法二：用12mv2B－12mv2A＝mgΔh验证时，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．基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验(3)在实验误差允许的条件下，若mghAB＝12mv2B－12mv2A成立，则验证了机械能守恒定律．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线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．基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验【变式跟踪2】(2013·南京模拟)某实验小组在做“验证机械能守恒定律”实验中，提出了如图4－5－4所示的甲、乙两种方案：甲方案为用自由落体运动进行实验，乙方案为用小车在斜面上下滑进行实验．图4-5-4基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验(1)组内同学对两种方案进行了深入的讨论分析，最终确定了一个大家认为误差相对较小的方案，你认为该小组选择的方案是________，理由是_____________________________________________________________________________.(2)若该小组采用图甲的装置打出了一条纸带如图4－5－5所示，相邻两点之间的时间间隔为0.02s，请根据纸带计算出B点的速度大小________m/s(结果保留二位有效数字)．图4-5-5基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验(3)该小组内同学们根据纸带算出了相应点的速度，作出v2－h图线如图4－5－6所示，请根据图线计算出当地的重力加速度g＝________m/s2(结果保留两位有效数字)．图4-5-6基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验答案(1)甲采用乙图实验时，由于小车和斜面间存在摩擦力的作用，且不能忽略，所以小车在下滑过程中机械能不守恒，故乙图不能用来验证机械能守恒定律(2)1.37(3)9.7或9.8解析(1)甲，理由是：采用乙图实验时，由于小车和斜面间存在摩擦力的作用，且不能忽略，所以小车在下滑过程中机械能不守恒，故乙图不能用来验证机械能守恒定律．(2)vB＝AC2T＝1.37m/s；(3)因为mgh＝12mv2，所以v2＝2gh，图线的斜率是2g，可得g＝9.7m/s2或g＝9.8m/s2.基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验【典例3】利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图4－5－7所示：图4-5-7基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验(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＝9.30mm；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.基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验(2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式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．基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验解析由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝80.30cm－20.30cm＝60.00cm.由于挡光条宽度很小，因此将挡光条通过光电门时的平均速度看做瞬时速度，挡光条的宽度l可用游标卡尺测量，挡光时间Δt可从数字计时器读出，因此，滑块通过光电门的瞬时速度为lΔt，则通过光电门1时瞬时速度为lΔt1，通过光电门2时瞬时速度为lΔt2.由于质量事先已用天平测出，由公式Ek＝12mv2可得：系统通过光电门1时动能Ek1＝12(M＋m)lΔt12，系统通过光电门2时动能Ek2＝12(M＋m)lΔt22.末动能减初动能可得动能的增加量．基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验两光电门中心之间的距离s即砝码和托盘下落的高度，系统势能的减小量ΔEp＝mgs，最后对比Ek2－Ek1与ΔEp数值大小，在误差允许的范围内相等，就验证了机械能守恒定律．答案(1)③60.00(59.96～60.04)(2)①lΔt1lΔt2②12(M＋m)lΔt1212(M＋m)lΔt22③mgs(3)Ek2－Ek1基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验【变式跟踪3】某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律．频闪仪每隔0.05s闪光一次，如图4－5－8所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表(当地重力加速度取9.8m/s2，小球质量m＝0.2kg，结果保留3位有效数字)时刻t2t3t4t5速度(m/s)4.994.483.98图4-5-8(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5＝________m/s；基本实验要求实验热点聚焦拓展创新实验(2)从t2到t5时间内，重力势能增量ΔEp＝________J，动能减少量ΔEk＝________J；(3)在误差允许的范围内，若ΔEp与ΔEk近似相等，即可验证了机械能守恒定律．由上述计算得ΔEp________Ek(选填“＞”“＜”或“＝”)，造成这种结果的主要原因是____________________________________________________________________________.解析本题考查机械能守恒定律的验证，与教材实验有所不同，本题以竖直上抛为依托考查机械能守恒，要注意知识的迁移和变