（江苏专版）2019年高考物理总复习 第23讲 实验五 验证机械能守恒定律讲义.doc

第第 2323 讲讲 实验五：验证机械能守恒定律实验五：验证机械能守恒定律考情剖析考查内容考纲要求考查年份考查详情能力要求实验、探究：验证机械能守恒定律16 年T11实验，以单 摆为背景考查验证 机械能是否守恒探究、推理弱项清单1.基本仪器是否估 读掌握不准确；2.在实验原理分析 上、理解并运用功 能关系和动能定理 及用准确的物理语 言进行描述等方面 的掌握不够；3.不理解实验原理； 处理实验数据能力 不强等；4.教学中强调打点 计时器的纸带处理 较多，对电磁打点 计时器的实际操作 忽视.实验储备一、实验目的 验证机械能守恒定律二、实验原理 通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量， 若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律 三、实验器材 打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(附铁夹)、导线两根 四、实验步骤 1根据实验原理图安装仪器 2将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器的限位孔 3用手提着纸带，让重物靠近打点计时器并处于静止状态，然后接通电源，松开纸带， 让重物自由落下，纸带上打下一系列小点 4从几条打下点的纸带中挑选出点迹清晰的纸带进行测量，Ek mv ，Epmgdn，vn.1 22 ndn1dn1 2T5计算对比Ep与Ek. 五、实验结论 在误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒 六、误差分析 1测量误差：减小测量误差的方法，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 2系统误差：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Ek mv 必定稍小于重力势能的减少量Epmgdn，改进办法是调整器材的安装，尽可1 22 n能地减小阻力 七、注意事项 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重物应选用质量大、体积小、密度大的材料 3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4测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用 vn，不能用 vndn1dn1 2T或 vngt 来计算2gdn技能优化释难答疑的金钥匙考点 1 实验原理和实验操作 【典型例题 1】 (16 年南京模拟)利用如图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验甲 (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速度变化量与势能变化量C速度变化量与高度变化量 (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 2 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Ep_，动能变化量Ek_.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 vgt 计算重物速度B利用公式 v计算重物速度2ghC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1.利用图甲实验装置探究重物下落过程中动能与重力势能的转化问题 (1)实验操作步骤如下，请将步骤B补充完整： A按实验要求安装好实验装置； B使重物靠近打点计时器，接着先_，后_，打点计 时器在纸带上打下一系列的点； C图乙为一条符合实验要求的纸带，O 点为打点计时器打下的第一点分别测出若干 连续点 A、B、C与 O 点之间的距离 h1、h2、h3.甲乙 (2)已知打点计时器的打点周期为 T，重物质量为 m，重力加速度为 g，结合实验中所 测得的 h1、h2、h3，可得重物下落到 B 点时的速度大小为_，纸带从 O 点下落到 B 点的过程中，重物增加的动能为_，减少的重力势能为_ (3)取打下 O 点时重物的重力势能为零，计算出该重物下落不同高度 h 时所对应的动能 Ek和重力势能 Ep，建立坐标系，横轴表示 h，纵轴表示 Ek和 Ep，根据以上数据在图丙中绘 出图线和图线.已求得图线斜率的绝对值 k12.94 J/m，请计算图线的斜率的绝 对值 k2_J/m(保留 3 位有效数字)重物和纸带下落过程中所受平均阻力与重物 所受重力的比值为_(用 k1和 k2表示) (4)通过对 k1和 k2的比较分析，可得到的结论是(只要求写出一条)： _丙 考点 2 数据处理与误差分析 【典型例题 2】 某同学用如图甲所示装置验证机械能守恒定律时，所用交流电源的 频率为 50 Hz，得到如图乙所示的纸带选取纸带上打出的连续五个点 A、B、C、D、E，测 出 A 点距起点 O 的距离为 s019.00 cm，点 A、C 间的距离为 s18.36 cm，点 C、E 间的 距离为 s29.88 cm，g 取 9.8 m/s2，测得重物的质量为 m1 kg.甲 (1)下列做法正确的有( )A图甲中两限位孔必须在同一竖直线上B实验前，手应提住纸带上端，使纸带竖直C实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源D数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置 (2)选取 O、C 两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是 _J，打下 C 点时重物的速度大小是_m/s.(结果保留三位有效数字)乙(3)根据纸带算出打下各点时重物的速度 v，量出下落距离 s，则以为纵坐标、以 sv2 2为横坐标画出的图象应是下面的( )(4)重物减少的重力势能总是略大于增加的动能，产生这一现象的原因是 _(写出一条即可) 考点 3 实验的改进与创新 【典型例题 3】 (16 年江苏高考)某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定 律一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于 A 点，光电门固定在 A 的正下方， 在钢球底部竖直地粘住一片宽度为 d 的遮光条将钢球拉至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间 t 可由计时器测出，取 v 作为钢球经过 A 点时的速度，记录钢球d t每次下落的高度 h 和计时器示数 t，计算并比较钢球在释放点和 A 点之间的势能变化大小 Ep与动能变化大小Ek，就能验证机械能是否守恒甲 (1)Epmgh 计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度 h 应测量释放时的钢 球球心到_之间的竖直距离A钢球在 A 点时的顶端B钢球在 A 点时的球心C钢球在 A 点时的底端(2)用Ek mv2计算钢球动能变化的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图乙1 2所示，其读数为_cm.某次测量中，计时器的示数为 0.0100 s，则钢球的速度为 v_m/s.乙 (3)下表为该同学的实验结果：Ep(×102 J)4.8929.78614.6919.5929.38 Ek(×102 J)5.0410.115.120.029.8他发现表中的Ep与Ek之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的你是否 同意他的观点？请说明理由(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议【学习建议】 基本仪器的使用要掌握，例如：刻度尺、游标尺、螺旋测微器、电流 表、电压表等，它们的度数规则要掌握实验要分组做，讲实验不能代替做实验清楚各 实验的系统误差来源慢慢接触数字实验，数字多用电表、数字游标卡尺、光电计时器 等当堂检测 1.用如图所示装置验证机械能守恒定律实验前调整光电门位置使小球 下落过程中球心通过光电门中的激光束实验中通过断开电磁铁开关使小球从 A 点下落， 经过光电门 B，记录挡光时间t，测出小球在 AB 间下落的距离 h.竖直平移光电门 B，重 复上述步骤，测得多组 h 及相应的t，已知当地重力加速度为 g.第 1 题图(1)实验中还需测量的物理量是_ (2)小球通过光电门速度的表达式为 v_(3)根据测量数据描绘­h 图象，能否仅依据图象是过原点的直线就得出机械能守1 t2恒的结论？_，理由是 _ 2某同学利用倾斜气垫导轨做“验证机械能守恒定律”的实验，实验装置如图甲所 示其主要实验步骤如下：第 2 题图甲a用游标卡尺测量挡光条的宽度 l，结果如图乙所示； b读出导轨标尺的总长 L0，并用直尺测出导轨标尺在竖直方向的高度 H0； c读出滑块释放处挡光条与光电门中心之间的距离 s； d由静止释放滑块，从数字计时器(图中未画出)上读出挡光条通过光电门所用的时间t. 回答下列问题： (1)由图乙读出 l_mm.第 2 题图乙 (2)_(选填“有”或“没有”)必要用天平称出滑块和挡光条的总质量 M.(3)多次改变光电门位置，即改变距离 s，重复上述实验，作出随 s 的变化图象，如1 t2图丙所示，当已知量 t0、s0、l、L0、H0和当地重力加速度 g 满足表达式_时，可判断滑块下滑过程中机械能守恒第 2 题图丙第 23 讲 实验五：验证机械能 守恒定律 技能优化·典型例题 1·(1)A (2)AB (3)mghB m()2 (4)C (5)不正确，理由见解1 2hChA 2T析 【解析】 (1)重物下落过程中重力势能减少，动能增加，故该实验需要比较重物下落 过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量在误差范围内是否相等，A 项正确 (2)电磁打点计时器使用的是交流电源，故要选 A，需要测纸带上两点间的距离，还需要刻度尺，选 B，根据mghmv20 可将等式两边的质量抵消，不需要天平，不需用 C.1 2(3)重物的重力势能变化量为 EpmghB，动能的变化量 Ekmvm()21 22B1 2hChA 2T(4)重物重力势能的减少量略大于动能的增加量，是因为重物下落过程中存在空气阻力 和摩擦阻力的影响，C 正确 (5)该同学的判断依据不正确，在重物下落h的过程中，若阻力f恒定，根据mghfhmv20，则v22(g )h可知，v2­h图象就是过原点的一条直线要想通过1 2f mv2­h图象的方法验证机械能是否守恒，还必须看图象的斜率是否接近 2 g.·变式训练 1·(1)接通电源 放开纸带 (2) mgh2 (3)h3h1 2Tm（h3h1）2 8T22.86(2.732.87 均可) (k1用mg表示也可) (4)k2小于k1，动能的增量小于重力k1k2 k1势能的减少量(其他结论合理的也可) 【解析】 (1)使用打点计时器时应先接通电源后放开纸带(2)做匀变速直线运动的物体，在某段时间内的平均速度等于该段时间的中间时刻的瞬时速度，所以vBvs t.纸带从O点下落到B点的过程中，重物增加的动能为Ekmv，h3h1 2T1 22Bm（h3h1）2 8T2减少的重力势能为mgh2.(3)由题图可知k22.86；对图线：Epmgh，即k1mg，对图线1.400 49：Ek(mgFf)h，即k2mgFf，所以Ffk1k2，.Ff mgk1k2 mgk1k2 k1(4)由(3)可知，k2<k1，动能的增量小于重力势能的减少量(其他结论合理的也可) ·典型例题 2·(1)AB (2)2.68 2.28 (3)C (4)重物受到空气阻力(或纸带与打 点计时器之间存在阻力) 【解析】 (1)图甲中两限位孔必须在同一竖直线上，实验前手 应提住纸带上端，并使纸带竖直，这是为了减小打点计时器与纸带之间的摩擦，选项 A、B 正确；实验时，应先接通打点计时器的电源再放开纸带，选项 C 错误；数据处理时，应选 择纸带上距离较远的两点作为初、末位置，以减小长度的测量误差，选项 D 错误(2)重物减少的重力势能为 Epmg(s0s1)2.68 J，由于重物下落时做匀变速运 动，根据匀变速直线运动任意时间段中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可知，打下C点时重物的速度为vC2.28 m/s.s1s2 4T(3)物体自由下落过程中机械能守恒，可以得出mgsmv2，即gsv2，所以­s图1 21 2v2 2线应是一条过原点的倾斜直线，选项 C 正确(4)在实验过程中，纸带与打点计时器之间的阻力、空气阻力是存在的，克服阻力做 功损失了部分机械能，因此实验中重物减小的重力势能总是略大于增加的动能 ·典型例题 3·(1)B (2)1.50 1.50 (3)不同意 理由见解析 (4)见解析 【解析】 (1)钢球下落高度h，应测量释放时钢球心到钢球在A点时的球心之间的竖 直距离，故选 B.(2)遮光条的宽度d1.50 cm，钢球的速度v 1.50 m/s.d t(3)不同意，因为空气阻力会造成 Ek小于 Ep，但表中 Ek大于 Ep. (4)分别测出光电门和球心到悬点的长度L和l，计算 Ek时，将v折算成钢球的速度vv.l L当堂检测1(1)小球直径d (2) (3)不能 斜率近似等于，才能判断小球下落过程中d t2g d2机械能守恒2(1)8.20 (2)没有 (3) s02gH0 l2L0【解析】 (1)游标尺上共有 20 小格，精度为 005 mm，用游标卡尺测量挡光条的宽度 l(80.05×4) mm8.20 mm.(2)欲验证机械能守恒定律，即 Mgssin M( )2，为气垫导轨与水平面间的夹角，只需验证 gssin ( )12lt12lt2，可见没有必要测量滑块和挡光条的总质量 M.(3)由几何知识得 sin()，当H0L0ss0，tt0时有s0.2gH0l2L0