2018年高考物理一轮复习实验六验证机械能守恒定律教学案

-1-内部文件，版权追溯内部文件，版权追溯内部文件，版权追溯实验六验证机械能守恒定律1.掌握验证机械能守恒定律的方法.2.会用图象法处理实验数据以达到验证目的．【实验目的】1.验证机械能守恒定律．【实验原理】1．在只有重力做功的条件下，物体的重力势能和动能可以相互转化，但总的机械能守恒。2．物体做自由落体运动，设物体的质量为m，下落h高度时的速度为v，则势能的减少量为mgh，动能的增加量为212mv。如果212mghmv即212ghv，就验证了机械能守恒定律。3．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2ttvv。计算打第n个点瞬时速度的方法是：测出第n个点的相邻前后两段相等时间T内下落的距离nx和1nx，由公式12nnnxxvT或112nnnhhvT算出，如图所示。【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．将实验装置按要求装好（如图），将纸带固定在重物上，让纸带穿过电火花计时器。-2-2．先用手提起纸带，使重物静止在靠近计时器的地方。3．接通电源，松开纸带，让重物自由下落，这样计数器就在纸带上打下一系列点。4．重复以上步骤，多做几次。5．从已打出的纸带中，选出第一、二点间的距离接近2mm并且点迹清晰的纸带进行测量。6．在挑选的纸带上，记下第一点的位置O，并在纸带上从任意点开始依次选取几个点1、2、3、4、.…并量出各点到位置O的距离，这些距离就是物体运动到点1、2、3、4、…时下落的高度1234hhhh、、、、7．利用公式122vvv中分别求出物体在打下点2、3、4、…时瞬时速度1234vvvv、、、、8．把得到的数据填入表格，算出重物运动到点2、3、4、…减少的重力势能234mghmghmgh、、、再算出物体运动到点2、3、4、…增加的动能222234111222mvmvmv、、、，根据机械能守恒定律比较2212mv与2mgh，2312mv与3mgh，2412mv与4mgh…，结果是否一致。【数据处理】1．纸带的选取：选用纸带时应尽量挑选第1点点迹清晰且1、2两点之间距离接近2mm的纸带，这样一条纸带记录的运动才接近自由落体运动。2．纸带的处理：在第1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点的距离1234hhhh、、、、再利用公式112nnnhhvT计算出各点对应的瞬时速度1234vvvv、、、、计算各点对应的重力势能的减少量nmgh和动能的增加量-3-212nmv，并进行比较看是否相等。也可以22v为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出22vh图象，若图象是过原点的直线，则可验证机械能守恒定律，其斜率等于g。数据处理的另一思路：选取点迹清晰的一条纸带，如图，选取B、M两个位置作为过程的开始和终结位置，量出BM之间距离BMh，求出B点速度12Bxvt，M点速度22Mxvt，比较重力势能的减少BMmgh与动能的增加221122MBmvmv是否相等，从而验证机械能是否守恒。【误差分析】1．实际上重物和纸带下落过程中要克服阻力（主要是打点计时器的阻力）做功，故动能的增加量必定稍小于势能的减少量，这是属于系统误差，减少空气阻力影响产生的方法是：使纸带下挂的重物重力大些，且体积要小。2．打点计时器产生的误差：（1）由于交流电周期的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差；（2）计数点选择不好；振动片振动不均匀；纸带放置方法不正确引起摩擦，造成实验误差；（3）打点时的阻力对纸带的运动性质有影响，这也属于系统误差。3．由于测长度带来的误差属偶然误差，减少办法是测距离时都应从O点量起，二是多测几次取平均值。【注意事项】1．安装打点计时器时，必须使两纸带限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。2．实验时必须保持提起的纸带竖直，手不动，待接通电源，让打点计时器工作稳定后再松开纸带。3．为了增加实验的可靠性，可重复实验，还可以在一次下落中测量多个位置的速度，比较重物在这些位置上的动能与势能之和。4．因通过比较mgh与212mv是否相等来验证机械能守恒，故不需测重物质量。【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)-4-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，尽可能地减少阻力．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0点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完．或者采用多次测量取平均值来减小误差．高频考点一实验原理及数据处理【例1】[2016·北京理综·21(2)]利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验。(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，得到如图乙所示的一条纸带。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ΔEp＝________，动能变化量ΔEk＝________。-5-乙(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的。答案：(1)A(2)AB(3)－mghB12mhC－hA2T2(4)C(5)不正确，理由见解析【举一反三】在进行“验证机械能守恒定律”的实验中：-6-图1(1)两实验小组同学分别采用了如图1甲和乙所示的装置，采用两种不同的实验方案进行实验。①在图甲中，下落物体应选择密度________(选填“大”或“小”)的重物；在图乙中，两个重物的质量关系是m1________m2(选填“＞”、“＝”、“＜”)；②采用图乙的方案进行实验，还需要的实验器材有交流电源，刻度尺和________；③比较两种实验方案，你认为图________(选填“甲”或“乙”)所示实验方案更合理，理由是__________。(2)有一同学采用了图甲所示的方案，选出一条纸带如图2所示，其中O点为起始点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通以50Hz交流电，在计数点A和B之间、B和C之间还各有一个点，重物的质量为0.5kg，g取9.8m/s2。根据以上数据，打B点时重物的重力势能比开始下落时减少了________J，这时它的动能是________J，根据上面这两个数据你能得到的结论是：__________。(结果保留三位有效数字)图2答案(1)①大＞②天平③甲图乙中还受到细线与滑轮的阻力的影响(2)0.8670.852在误差允许的范围内，重物下落时机械能守恒【方法技巧】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。方法二：用12mv2B－12mv2A＝mgΔh验证时，任取两点计算。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-7-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。【变式训练】某实验小组在做“验证机械能守恒定律”实验中，提出了如图3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3(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(结果保留三位有效数字)。图4(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5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5-8-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高频考点二拓展创新实验【例2】某同学利用如图6所示的装置来验证由小车与钩码组成的系统机械能守恒图6(1)现提供如下器材：A．小车B．钩码C．一端带滑轮的长木板D．细绳E．电火花打点计时器F．纸带G．毫米刻度尺H．游标卡尺I．低压交流电源J．220V交流电源实验中不需要的器材是________(填写器材前的字母)，还需要的器材是________。(2)为尽可能消除摩擦力对本实验的影响，使验证结果尽可能准确，则小车质量M和钩码质量m的关系应该满足________。(3)小明和小军同学在做该实验时，小明认为只要采用平衡摩擦力的方法将摩擦力平衡掉就可以了，无须满足(2)问中小车质量M和钩码质量m的关系，而小军却否认小明的看法，你认为小明的看法________(选填“正确”或“不正确”)，理由是__________。(4)两位同学统一观点后完成实验，得到一条纸带，去掉前面比较密集的点，选择点迹清晰且便于测量的连续7个点(标号为0～6)，测出相关距离如图7所示，要验证在第2点与第5点时系统的机械能相等，则应满足关系式________________(设小车质量M，钩码质量m，打点周期为T)。图7-9-(4)利用匀变速直线运动的推论：v2＝d3－d12T，v5＝d6－d42T从第2点到第5点时系统的动能增加12(M＋m)(d6－d42T)2－12(M＋m)(d3－d12T)2从第2点到第5点时系统的重力势能减小量：mg(d5－d2)应满足关系式mg(d5－d2)＝12(M＋m)(d6－d42T)2－12(M＋m)(d3－d12T)2答案(1)H，I天平(2)M≪m(3)不正确因为平衡摩擦力后，摩擦力还做负功，系统机械能不守恒(4)mg(d5－d2)＝12(M＋m)(d6－d42T)2－12(M＋m)·(d3－d12T)2。【变式训练】某同学利用如图8所示的气垫导轨装置验证系统机械能守恒定律。在气垫导轨上安装了两光电门1、2，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过轻质定滑轮与钩码相连。图8(1)实验时要调整气垫导轨水平。不挂钩码和细线，接通气源，如果滑块____________________，则表示气垫导轨调整至水平状态。(2)不挂钩码和细线，接通气源，滑块从轨道右端向左运动的过程中，发现滑块通过光电门1的时间小于通过光电门2的时间。实施下列措施能够让导轨水平的是________。A．调节P使轨道左端升高一些B．调节Q使轨道右端降低一些C．遮光条的宽度应适当大一些D．滑块的质量增大一些E．气源的供气量增大一些-10-(3)实验时，测出光电门1、2间的距离L，遮光条的宽度d，滑块和遮光条的总质量M，钩码质量m。由数字计时器读出遮光条通过光电门1、2的时间t1、t2，则系统机械能守恒成立的表达式是_