2020高考物理一轮总复习 第五章 机械能 实验课2 验证机械能守恒定律课件 新人教版

第五章机械能验证机械能守恒定律栏目导航12板块一基础回顾板块二考点突破基础回顾明体系、知细节、强化提能板块一一、实验基础知识二、数据处理1．求瞬时速度：由公式vn＝hn＋1－hn－12T可以计算出重物下落hn的高度时对应的瞬时速度vn.2．验证守恒方法一：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条件下mghn和12mvn2相等，则验证了机械能守恒定律．方法二：任取两点计算．(1)任取两点A、B测出hAB，算出mghAB.(2)算出12mvB2－12mvA2的值．(3)在实验误差允许的条件下，若mghAB＝12mvB2－12mvA2成立，则验证了机械能守恒定律．方法三：采用图象法．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12v2­h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．三、误差分析1．测量误差：计数点间距的测量．2．操作误差(1)打点计时器安装不稳固．(2)两限位孔不在同一竖直线上．3．原理误差：实验过程中纸带与限位孔间的摩擦、指针对纸带的瞬时阻力、空气对重锤的阻力均会给实验带来系统误差．四、注意事项1．安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直线上以减小摩擦阻力．2．重物应选用质量和密度较大、体积较小的物体以减小空气阻力的影响．3．应先接通电源，让打点计时器正常工作后，再松开纸带让重物下落．4．纸带长度选用60cm左右为宜，应选用点迹清晰的纸带进行测量．5．速度不能用vn＝gtn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，也只能用毫米刻度尺直接测量，而不能用hn＝vn22g或hn＝12gt2计算得到．6．本实验不必称出重物质量.考点突破研典例、练高分、考点通关板块二考点一实验原理与操作——师生共研|研典例|【例】(2017年天津卷)如图1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．(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，撒手释放重物(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，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2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________．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[解析](1)重物选用质量和密度较大的金属锤，减小空气阻力，以减小误差，故选项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，以减小误差，故选项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，故选项C错误；用手拉稳纸带，而不是托住重物，接通电源后，撒手释放纸带，故选项D错误．(2)由EG的长度可求出打F点的速度v2，打O点的速度v1＝0，但求不出OF之间的距离h，故选项A错误；由BC和CD的长度可求出打C点的速度v2，打O点的速度v1＝0，由OC之间的距离h，可以来验证机械能守恒定律，故选项B正确；由BD和EG的长度可分别求出打C点的速度v1和打F点的速度v2，由CF之间的距离h，可以来验证机械能守恒定律，故选项C正确；AC、BD和EG的长度可分别求出打B、C、F三点的速度，但BC、CF、BF之间的距离都无法求出，无法验证机械能守恒定律，故选项D错误．[答案](1)AB(2)BC|练高分|1．在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，电源的频率为50Hz，依次打出的点为0、1、2、3、4、…、n.则：(1)如用第2点到第6点之间的纸带来验证，必须直接测量的物理量为________________、________________________、________________________，必须计算出的物理量为________________、________________，验证的表达式为________________．(2)下列实验步骤操作合理的排列顺序是________(填写步骤前面的字母)．A．将打点计时器竖直安装在铁架台上B．接通电源，再松开纸带，让重物自由下落C．取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验D．将重物固定在纸带的一端，让纸带穿过打点计时器，用手提着纸带E．选择一条纸带，用刻度尺测出重物下落的高度h1、h2、h3、…、hn，计算出对应的瞬时速度v1、v2、v3、…、vnF．分别算出12mvn2和mghn，在实验误差范围内看是否相等解析：(1)要验证从第2点到第6点之间的纸带对应重物的运动过程中机械能守恒，应测出第2点到第6点的距离h26，要计算第2点和第6点的速度v2和v6，必须测出第1点到第3点之间的距离h13和第5点到第7点之间的距离h57，机械能守恒的表达式为mgh26＝12mv62－12mv22.答案：(1)第2点到第6点之间的距离h26第1点到第3点之间的距离h13第5点到第7点之间的距离h57第2点的瞬时速度v2第6点的瞬时速度v6mgh26＝12mv62－12mv22(2)ADBCEF2.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＝________.(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解析：(1)在“验证机械能守恒定律”实验中，重物下落，重力势能减少，动能增加，要验证机械能是否守恒，需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大小是否相等，故选A.(2)实验时用到电磁打点计时器，则必须使用交流电源．在计算动能和势能变化量时，需用刻度尺测量位移和重物下落高度．在比较动能变化量和势能变化量是否相等时需验证12m(v22－v12)＝mgh是否成立，而等式两边可约去质量m，故不需要天平．故选AB.(3)从打O点到打B点的过程中，重物下落hB，重力势能减少，则重物的重力势能变化量ΔEp＝－mghB.动能增加，则动能的变化量ΔEk＝12mvB2－0＝12mhC－hA2T2－0＝12mhC－hA2T2.(4)重物在下落过程中，除受重力外还存在空气阻力和摩擦阻力的影响，重物的重力势能要转化为重物的动能和内能，则重力势能的减少量大于动能的增加量，选项C正确．答案：(1)A(2)AB(3)－mghB12mhC－hA2T2(4)C考点二数据处理与误差分析——师生共研|研典例|【例】如图是用“自由落体法”验证机械能守恒定律的实验装置(g取9.80m/s2)．(1)选出一条清晰的纸带如图甲所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通以频率为50Hz的交变电流．用分度值为1mm的刻度尺测得OA＝12.41cm，OB＝18.90cm，OC＝27.06cm，在计数点A和B、B和C之间还各有一个点，重锤的质量为1.00kg.甲同学根据以上数据算出：当打点计时器打到B点时重锤的重力势能比开始下落时减少了________J；此时重锤的速度vB＝________m/s，此时重锤的动能比开始下落时增加了________J(结果均保留3位有效数字)．(2)某同学利用他自己实验时打出的纸带，测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h，算出了各计数点对应的速度v，然后以h为横轴、以12v2为纵轴作出了如图乙所示的图线，图线的斜率近似等于________．A．19.6B．9.8C．4.90图线未过原点O的原因是_________________________________________.[解析](1)当打点计时器打到B点时，重锤的重力势能减少量ΔEp＝mg·OB＝1.00×9.80×18.90×10－2J≈1.85J；打B点时重锤的速度vB＝OC－OA4T＝27.06－12.41×10－24×0.02m/s≈1.83m/s，此时重锤的动能增加量ΔEk＝12mv2＝12×1.00×1.832J≈1.67J.(2)由机械守恒定律有12mv2＝mgh，可得12v2＝gh，由此可知图线的斜率近似等于重力加速度g，故B正确，由图线可知，h＝0时，重锤的速度不等于零，原因是该同学做实验时先释放了纸带，然后才闭合打点计时器的开关．[答案](1)1.851.831.67(2)B先释放了纸带，再闭合打点计时器的开关|练高分|1．(2018届茂名一模)某活动小组利用图甲所示装置验证机械能守恒定律．钢球自由下落过程中，先后通过光电门A、B，计时装置测出钢球通过A、B的时间分别为tA、tB.用钢球通过光电门的平均速度表示钢球球心通过光电门的瞬时速度．测出两光电门间的距离为h，当地重力加速度为g.(1)用游标卡尺测量钢球的直径，读数如图乙所示，钢球直径为D＝________cm.(2)要验证机械能守恒，只要比较________(填选项前的字母序号)即可．A.1tA2－1tB2D2与gh是否相等B.1tA2－1tB2D2与2gh是否相等C.1tB2－1tA2D2与gh是否相等D.1tB2－1tA2D2与2gh是否相等(3)钢球通过光电门的平均速度________(选填“”或“”)钢球球心通过光电门的瞬时速度．解析：(1)游标卡尺的主尺读数为0.9cm，游标尺上第10个刻度和主尺上某一刻度对齐，所以游标读数为0.05×10mm＝0.50mm，所以最终读数为0.950cm.(2)利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度，故：v＝Dt，根据机械能守恒的表达式有mgh＝12mD21tB2－1tA2即只要比较1tB2－1tA2D2与2gh是否相等，故选D.(3)根据匀变速直线运动的规律得钢球通过光电门的平均速度等于这个过程中间时刻速度，所以钢球通过光电门的平均速度小于钢球球心通过光电门的瞬时速度．答案：(1)0.950(2)D(3)2．在进行“验证机械能守恒定律”的实验中：(1)两实验小组同学分别采用了如图甲和图乙所示的装置，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________(选填“”“＝”或“”)m2.②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