（京津鲁琼版）2020版高考物理总复习 第五章 实验七 验证机械能守恒定律课件

第五章机械能及其守恒定律实验七验证机械能守恒定律一、实验目的：验证机械能守恒定律．二、实验原理验证自由落体运动中，物体重力势能的减少量和动能的增加量相等．三、实验器材铁架台(带铁夹)、打点计时器、重锤、纸带、复写纸、导线、刻度尺、交流电源(4～6V)．四、实验步骤1．按如图所示安装器材．2．先接通电源，再释放纸带，更换纸带重复操作几次．3．选取点迹清晰的纸带，在纸带上第一个点及距离较远的点，依次标上0、1、2、3、….4．测出0点到点1、2、3、…的距离，即为对应的下落高度h1、h2、h3、….五、数据处理1．计算速度利用公式vn＝hn＋1－hn－12T，计算出点1、2、3、…的瞬时速度v1、v2、v3、….2．验证守恒方法一：利用起始点到较远的点，验证12mv2＝mgh成立．方法二：任取两点A、B，验证12mv2B－12mv2A＝mghAB成立．方法三：利用图象，从第一点到某点的下落高度h，该点的速度v，绘出12v2－h图线，若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．六、注意事项1．为了减小阻力，铁架台应竖直安装．2．重物应选用质量大、体积小、密度大的材料．3．应先接通电源打点，再放开纸带让重锤下落．4．本实验不需要测出物体的质量．5．计算速度时不能用v＝gt或v＝2gh.实验原理与操作本实验是利用自由落体运动验证机械能守恒定律，测出物体下落的高度及初、末位置的速度是实验的关键，操作上注意三点：(1)重锤要靠近打点计时器．(2)纸带要保持竖直．(3)先接通电源再放开纸带．【针对训练】1．(2019·南平适应性检测)如图甲所示为验证机械能守恒定律的实验装置示意图．现有的器材为：带铁夹的铁架台、电火花打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平、交流电源．回答下列问题．(1)为完成此实验，除了现有的器材，还需要的器材是________．(2)若按实验要求选出合适的纸带进行测量，量得连续三个计数点A、B、C到第一个点O的距离如图乙所示(相邻两点时间间隔为0.02s)，当地重力加速度的值为9.80m/s2，重锤质量为0.500kg，那么打下点B时重锤的速度vB＝________m/s，从O到B的过程中重力势能减少量为ΔEp＝________J．(计算结果均保留三位有效数字)解析：(1)在实验中需测量重物下落的高度，以及重物的速度，所以需要用刻度尺测量纸带上点迹间的距离，故需要刻度尺．(2)根据匀变速直线运动规律，中间时刻的瞬时速度等于该段时间内的平均速度即：vB＝xAC2T＝（25.71－17.72）×10－22×0.02m/s≈2.00m/s，故速度为：vB＝2.00m/s.重力势能的减少量为：ΔEp＝mghOB＝0.500×9.80×21.52×10－2J≈1.05J.答案：(1)刻度尺(2)2.001.052．(2019·重庆一中模拟)(1)关于“验证机械能守恒定律”的实验中，以下说法中正确的是________．A．实验时需要称出重物的质量B．实验中摩擦是不可避免的，因此纸带越短越好，因为纸带越短，克服摩擦做的功就越少，误差就越小C．纸带上打下的第1、2点间距超过2mm，则无论怎样处理数据，实验误差都会很大D．实验处理数据时，可直接利用打下的实际点迹，而不必采用“计数点”的方法(2)若正确的操作完成实验，正确的选出纸带进行测量，量得连续三点A、B、C到第一个点O的距离如图所示(相邻计数点时间间隔为0.02s)，当地重力加速度的值为9.8m/s2，那么(结果均保留两位有效数字)①纸带的________端与重物相连(选填“左”或“右”)；②打下计数点B时，重物的速度vB＝________m/s(结果均保留两位有效数字)；③在误差允许的范围内，在从起点O到打下计数点B的过程中，测得重物重力势能的减少量ΔEp略大于动能的增加量ΔEk，这是因为_____________________________________________．解析：(1)实验时动能的增加量与重力势能的减少量，均含有质量，因此不需称出重物的质量，故A错误；实验中摩擦是不可避免的，但不是纸带越短越好，纸带越短，打的点越少，越不利于测量，故B错误；若纸带上第1、2两点间距大于2mm，可在后面选取两个点用表达式mg·Δh＝12mv22－12mv21，依然可以来验证机械能守恒定律，故C错误；处理打点的纸带时，可以直接利用打点计时器打出的实际点迹，而不必采用“计数点”的方法，若采用计数点，是使测量长度变长，从而减小测量长度的误差，故D正确．(2)①重物在开始下落时速度较慢，在纸带上打的点较密，越往后，重物下落得越快，纸带上的点越稀，所以纸带上靠近重物的一端的点较密，因此纸带的左端与重物相连．②根据匀变速直线运动中间时刻的速度等于该过程的平均速度有：vB＝xAC2T＝（7.06－3.14）×10－22×0.02m/s＝0.98m/s.③ΔEpΔEk，说明有部分重力势能变成了其他能，是因为下落过程中存在摩擦阻力和空气阻力的影响．答案：(1)D(2)①左②0.98③存在阻力做功数据处理与误差分析1．速度计算计算速度必须用v＝x1＋x22T，要注意两个误区：(1)本实验要验证机械能守恒定律，不能用该定律的推导式v＝2gh求速度．(2)要用实验数据求速度，不能用理论推导式v＝gt求速度．2．系统误差由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，重物减少的重力势能大于增加的动能．【针对训练】1．(2019·哈尔滨六中模拟)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g取9.8m/s2，小球质量m＝0.4kg)(结果保留3位有效数字)时刻t2t3t4t5速度(m/s)4.994.483.98(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5＝________m/s；(2)从t2到t5时间内，重力势能增加量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：(1)根据在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度，可得v5＝16.14＋18.662×0.05×10－2m/s＝3.48m/s；(2)重力势能的增加量ΔEp＝mgΔh，代入数据可得ΔEp≈2.49J，动能减少量为ΔEk＝12mv22－12mv25，代入数据可得ΔEk≈2.56J；(3)由计算可得ΔEpΔEk，主要是由于存在空气阻力．答案：(1)3.48(2)2.492.56(3)存在空气阻力2．(2016·高考全国卷Ⅰ)某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20Hz、30Hz和40Hz.打出纸带的一部分如图乙所示．该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他题给条件进行推算．(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图乙中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为________，打出C点时重物下落的速度大小为________，重物下落的加速度大小为________．(2)已测得s1＝8.89cm，s2＝9.50cm，s3＝10.10cm；当地重力加速度大小为9.80m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%.由此推算出f为________Hz.解析：(1)利用做匀变速直线运动的质点在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，可得打点计时器打出B点时重物下落的速度vB＝s1＋s22T＝（s1＋s2）f2；打出C点时重物下落的速度vC＝s2＋s32T＝（s2＋s3）f2.根据加速度的定义，重物下落的加速度大小为a＝vC－vBT＝(vC－vB)f＝（s3－s1）f22.(2)根据题述，重物下落受到的阻力为0.01mg，由牛顿第二定律得，mg－0.01mg＝ma，解得a＝0.99g.由（s3－s1）f22＝0.99g，解得f＝40Hz.答案：(1)（s1＋s2）f2（s2＋s3）f2（s3－s1）f22(2)40实验的拓展与创新【典题例析】创新角度一用光电门测速法验证机械能守恒定律(2019·湖北八校联考)小明同学利用如图所示的装置来验证机械能守恒定律．A为装有挡光片的钩码，总质量为M，挡光片的宽度为b，轻绳一端与A相连，另一端跨过光滑轻质定滑轮与质量为m(m＜M)的重物B相连．他的做法是：先用力拉住B，保持A、B静止，测出A的挡光片上端到光电门的距离h(h≫b)；然后由静止释放B，A下落过程中经过光电门，光电门可测出挡光片的挡光时间t，算出挡光片经过光电门的平均速度，将其视为A下落h时的速度，重力加速度为g.(1)在A从静止开始下落h的过程中，验证以A、B所组成的系统机械能守恒的表达式为____________(用题目所给物理量的符号表示)；(2)由于光电门所测的平均速度与物体A下落h时的瞬时速度间存在一个差值Δv，因而系统减少的重力势能________系统增加的动能(选填“大于”或“小于”)；(3)为减小上述Δv对实验结果的影响，小明同学想到了以下一些做法，其中可行的是________．A．保持A下落的初始位置不变，测出多组时间t，算出多个平均速度然后取平均值B．减小挡光片上端到光电门的距离hC．增大挡光片的挡光宽度bD．适当减小挡光片的挡光宽度b(4)若采用本装置测量当地的重力加速度g，则测量值________真实值(选填“大于”“等于”或“小于”)．创新实验分析——三步曲1．确定实验目的：研究A、B物体组成的系统机械能守恒；2．分析实验原理：分析A、B物体系统的重力势能减少量与动能的增加量是否相等；3．明确实验方案：测量系统重力势能的减少量时，只需测A、B的质量与A下落的距离，测系统动能的增加量时，只需测出A、B的质量与挡光片通过光电门的速度．[解析](1)系统减少的重力势能ΔEp＝(M－m)gh，通过光电门的速度为v＝bt，所以系统增加的动能为ΔEk＝12(M＋m)bt2，验证以A、B所组成的系统机械能守恒的表达式为(M－m)gh＝12(M＋m)bt2.(2)由于光电门所测的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，其与物体A下落h时的瞬时速度(中间位移速度)间少了一个差值，即测量速度小于真实速度，故系统减少的重力势能大于系统增加的动能．(3)平均速度要尽可能接近瞬时速度，只有让挡光片经过光电门的时间尽可能小，只有D选项中的做法能达到这一目的，B、C选项中的做法只会让挡光片经过光电门的时间变长，增加误差，而A选项中的做法对挡光片经过光电门的时间无影响，故对减小上述Δv对实验结果的影响无作用．(4)由机械能守恒表达式(M－m)gh＝12(M＋m)bt2可推出，重力加速度g的测量值为g＝（M＋m）2（M－m）hbt2，因测量速度bt小于真实速度，所以重力加速度g的测量值小于真实值．[答案](1)(M－m)gh＝12(M＋m)bt2(2)大于(3)D(4)小于创新角度二用传感器或其他器材测速验证机械能守恒定律(2019·山东日照模拟)某兴趣小组的同学用如图甲所示装置验证机械能守恒定律，轻绳一端固定在光滑固定转轴O处，另一端系一小球．(1)小明同学在小球运动的最低点和最高点附近分别放置了一组光电门，用螺旋测微器测出了小球的直径，如图乙所示，则小球的直径d＝________mm.使小球在竖直面内做圆周运动，测出小球经过最高点的挡光时间为Δt1，经过最低点的挡光时间为Δt2.(2)小军同学在光滑水平转轴O处安装了一个拉力传感器，已知当地重力加速度为g.现使小球在竖直平面内做圆周运动，通过拉力传感器读出小球在最高点时绳上的拉力大小是F1，在最低点时绳上的拉力大小是F2.(3)如果要验证小