高考物理大一輪復(fù)習(xí) 第五章 實驗六 驗證機(jī)械能守恒定律

高考物理大一輪復(fù)習(xí)第五章實驗六驗證機(jī)械能守恒定律課件第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四[實驗?zāi)康腯利用自由落體運(yùn)動驗證只有重力作用下的物體機(jī)械能守恒。[實驗原理]知識梳理1.在只有重力做功的自由落體運(yùn)動中,物體的重力勢能和動能互相轉(zhuǎn)化,但

總的機(jī)械能保持不變。若物體某時刻瞬時速度為v,下落高度為h,則重力勢

能的減少量為mgh,動能的增加量為

mv2,看它們在實驗誤差允許的范圍內(nèi)是否相等,若相等則驗證了機(jī)械能守恒定律。第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2.計算打第n個點速度的方法:測出第n個點與相鄰前后點間的距離xn和xn+1,

由公式vn=

或vn=

算出,如圖所示。

[實驗器材]鐵架臺(含鐵夾),打點計時器,學(xué)生電源,紙帶,復(fù)寫紙,導(dǎo)線,毫米刻度尺,重物

(帶紙帶夾)。[實驗步驟]第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四1.安裝置:按圖將檢查、調(diào)整好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上,接好電

路。第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2.打紙帶:將紙帶的一端用夾子固定在重物上,另一端穿過打點計時器的限

位孔用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地方。先接通電源,后

松開紙帶,讓重物帶著紙帶自由下落。更換紙帶重復(fù)做3~5次實驗。第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.選紙帶:分兩種情況說明(1)用

m

=mghn驗證時,應(yīng)選點跡清晰,且1、2兩點間距離小于或接近2mm的紙帶。若1、2兩點間的距離大于2mm,這是由于先釋放紙帶,后接通電源造成的。這樣,第1個點就不是運(yùn)動的起始點了,這樣的紙帶不能選。(2)用

m

-

m

=mgΔh驗證時,由于重力勢能的相對性,處理紙帶時,選擇適當(dāng)?shù)狞c為基準(zhǔn)點,這樣紙帶上打出的第1、2兩點間的距離是否為2mm就

無關(guān)緊要了,所以只要后面的點跡清晰就可選用。[數(shù)據(jù)處理]方法一:利用起始點和第n點計算。代入ghn和

,如果在實驗誤差允許的第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四條件下,ghn和

相等,則驗證了機(jī)械能守恒定律。方法二:任取兩點計算(1)任取兩點A、B測出hAB,算出ghAB。(2)算出

-

的值。(3)在實驗誤差允許的條件下,若ghAB=

-

,則驗證了機(jī)械能守恒定律。方法三:圖象法。從紙帶上選取多個點,測量從第一點到其余各點的下落高

度h,并計算各點速度的平方v2,然后以

v2為縱軸,以h為橫軸,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出

v2-h圖線。若在誤差允許的范圍內(nèi)圖線是一條過原點且斜率為g的直線,則驗證了機(jī)械能守恒定律。第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四[誤差分析]1.本實驗中因重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻力(空氣阻力、打點

計時器與紙帶間的摩擦阻力)做功,故動能的增加量ΔEk稍小于重力勢能的

減少量ΔEp,即ΔEk<ΔEp,這屬于系統(tǒng)誤差。改進(jìn)的辦法是調(diào)整器材的安裝,

盡可能地減小阻力。2.本實驗的另一個誤差來源于長度的測量,屬偶然誤差。減小誤差的辦法

是測下落距離時都從0點量起,一次將各打點對應(yīng)的下落高度測量完,或者

多次測量取平均值來減小誤差。第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四[注意事項]1.安裝打點計時器時要豎直架穩(wěn),使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)以減少

摩擦阻力。2.應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的重物。3.應(yīng)先接通電源,讓打點計時器正常工作后,再松開紙帶讓重物下落。4.紙帶長度應(yīng)選用60cm左右為宜,應(yīng)選用點跡清晰的紙帶進(jìn)行測量。5.速度不能用vn=gtn或vn=

計算,因為只要認(rèn)為加速度為g,機(jī)械能當(dāng)然守恒,即相當(dāng)于用機(jī)械能守恒定律驗證機(jī)械能守恒定律,況且用vn=gtn計算

出的速度比實際值大,會得出機(jī)械能增加的結(jié)論,而因為摩擦阻力的影響,

機(jī)械能應(yīng)該減小,所以速度應(yīng)從紙帶上直接測量計算。同樣的道理,重物下

落的高度h,也只能用刻度尺直接測量,而不能用hn=

g

或hn=

計算得到。第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四1.(多選)下列關(guān)于“驗證機(jī)械能守恒定律”實驗的實驗誤差的說法中,正確

的是

(

)A.重物質(zhì)量的稱量不準(zhǔn)會造成較大誤差B.重物質(zhì)量選用得大些,有利于減小誤差C.重物質(zhì)量選用得較小些,有利于減小誤差D.先接通電源,后釋放紙帶,有利于減小誤差

答案

BD從需要驗證的關(guān)系式ghn=

看,與質(zhì)量無關(guān),A錯誤。當(dāng)重物質(zhì)量大一些時,空氣阻力可以忽略,B正確,C錯誤。若紙帶先下落而后打點,此時,紙帶上最初兩點的點跡間隔較正常時略大,用此紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,

其結(jié)果是重物在打第一個點時就有了初動能,因此重物動能的增加量比重

物重力勢能的減少量大,故實際操作時,應(yīng)先接通電源,后釋放紙帶,D正確。第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2.在用打點計時器“驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗時,質(zhì)量m=1.00kg的重

物拖著紙帶豎直下落,打點計時器在紙帶上打下一系列的點,如圖所示,相

鄰計數(shù)點的時間間隔為0.04s,P為紙帶運(yùn)動的起點,從P點到打下B點過程

中重物重力勢能的減少量ΔEp=

J,在此過程中重物動能的增加量ΔEk=

J。(已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=9.80m/s2,答案保留三位有效數(shù)字)第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四用v表示各計數(shù)點的速度,h表示各計數(shù)點到P點的距離,以

為縱軸,以h為橫軸,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出

-h的圖線,若圖線的斜率等于某個物理量的數(shù)值時,說明重物下落過程中機(jī)械能守恒,該物理量是

。

答案

2.28

2.26當(dāng)?shù)刂亓铀俣?/p>

解析

ΔEp=mg·

=1.00×9.80×23.25×10-2J≈2.28J重物動能的增加量為ΔEk=

mv2=

m(

)2≈2.26J由機(jī)械能守恒定律得

mv2=mgh,即

v2=hg,故圖線的斜率為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?。?2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3.(1)在使用10分度游標(biāo)卡尺和螺旋測微器測量某一工件的長度和厚度時,

兩儀器上的示數(shù)如圖(a)、(b)所示。則測量儀器的讀數(shù)分別為(a)

cm、(b)

mm。(2)用如圖所示的裝置做“驗證機(jī)械能守恒定律”實驗。已知打點計時器

所用電源的頻率為50Hz。查得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=9.80m/s2,某同學(xué)選擇第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四了一條理想的紙帶,用刻度尺測量各計數(shù)點到O點的距離如圖所示。圖中

O點是打點計時器打出的第一個點,A、B、C、D分別是每隔一個點取的計

數(shù)點,則重物由O點運(yùn)動到B點時,重力勢能的減少量等于

m(J),動

能的增加量為

m(J)(保留三位有效數(shù)字,其中重物質(zhì)量m已填好),

產(chǎn)生誤差的主要原因是

。第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四

答案

(1)2.39

6.578

(2)1.91

1.88摩擦阻力和空氣阻力的影響

解析

(1)(a)的讀數(shù)為23mm+0.1mm×9=23.9mm=2.39cm(b)的讀數(shù)為6.5mm+0.01mm×7.8=6.578mm(2)ΔEp=mghOB=m×9.80×0.1950=1.91m(J)。vB=

=

m/s=1.938m/s,所以動能增加量ΔEk=

m

=1.88m(J)可見:ΔEp>ΔEk,產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是紙帶與限位孔的摩擦阻力和空氣阻

力的影響。第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四4.在研究彈簧的彈性勢能與彈簧長度改變量的關(guān)系的實驗中,彈簧長度的

改變量可以利用刻度尺直接測量得到,而彈性勢能的大小只能通過物理原

理來間接測量?，F(xiàn)有兩組同學(xué)分別按圖甲(讓鋼球向左壓縮彈簧一段距離

后由靜止釋放,使鋼球沿水平方向射出桌面)和圖乙(讓滑塊向左壓縮彈簧

一段距離后由靜止釋放,使滑塊在氣墊導(dǎo)軌上向右運(yùn)動,通過相應(yīng)的測量儀

器可以測出滑塊脫離彈簧后的速度)兩組不同的測量方案進(jìn)行測量。請寫

出圖甲方案中彈性勢能與小球質(zhì)量及圖中各量之間的關(guān)系Ep=

;

圖乙方案中除了從儀器上得到滑塊脫離彈簧后的速度外還要直接測量的

量為

。兩種方案的共同點都是將彈性勢能的測量轉(zhuǎn)化為對

能的測量。第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四

答案

滑塊的質(zhì)量動

解析圖甲中,彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為小球的動能Ep=

m

,此后小球做平拋運(yùn)動,有x=v0t,h=

gt2,所以Ep=

;圖乙中,彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為滑塊的動能Ep=

m

,此后滑塊在氣墊導(dǎo)軌上做勻速直線運(yùn)動,由測速裝置可以測出滑塊的速度,用天平稱量滑塊的質(zhì)量,即可求出彈簧的彈性勢能。第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四典例1用如圖所示的實驗裝置驗證機(jī)械能守恒定律。實驗所用的電源為

學(xué)生電源,輸出電壓為6V的交流電和直流電兩種。重錘從高處由靜止開

始下落,打點計時器在重錘拖著的紙帶上打出一系列的點,對紙帶上的點痕

進(jìn)行測量,即可驗證機(jī)械能守恒定律。(1)下面列舉了該實驗的幾個操作步驟:A.按照圖示的裝置安裝器件;B.將打點計時器接到電源的“直流輸出”上;C.用天平測出重錘的質(zhì)量;D.先接通電源,后釋放紙帶,打出一條紙帶;E.測量紙帶上某些點間的距離;一、實驗原理及誤差分析重難突破第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四F.根據(jù)測量的結(jié)果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的

動能。其中沒有必要進(jìn)行的步驟是

,操作不當(dāng)?shù)牟襟E是

。(2)利用這個裝置也可以測量重錘下落的加速度a的數(shù)值。根據(jù)打出的紙

帶,選取紙帶上的連續(xù)的五個點A、B、C、D、E,測出各點之間的距離如

圖所示。使用交流電的頻率為f,則計算重錘下落的加速度的表達(dá)式a=

。(用x1、x2、x3、x4及f表示)

第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四(3)在驗證機(jī)械能守恒定律的實驗中發(fā)現(xiàn),重錘減小的重力勢能總是大于重

錘增加的動能,其主要原因是重錘和紙帶下落過程中存在阻力作用,可以通

過該實驗裝置測阻力的大小。若已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,還需要測量的

物理量是

。試用這些物理量和紙帶上的數(shù)據(jù)符號表示重錘

和紙帶在下落的過程中受到的平均阻力大小Ff=

。

解析

(1)本實驗驗證

mv2=mgh時沒必要測出重錘質(zhì)量。打點計時器必須接交流電源。(2)求加速度a時應(yīng)該用逐差法,a=

=

第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四(3)由mg-Ff=ma可知,Ff=m(g-a)=m[g-

],只要再測出重錘的質(zhì)量m即可求出平均阻力Ff。

答案

(1)CB(2)

(3)重錘質(zhì)量m

m[g-

]第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四二、實驗數(shù)據(jù)的處理典例2在用打點計時器驗證機(jī)械能守恒定律的實驗中,使質(zhì)量為m=1.00kg的重物自由下落,打點計時器在紙帶上打出一系列的點,選取一條符合實驗要求的紙帶如圖所示。O為第一個點,A、B、C為從合適位置開始選取連續(xù)點中的三個點,已知打點計時器每隔0.02s打一個點,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間=9.80m/s2,那么:

(