高三物理一輪復(fù)習(xí)實驗六驗證機械能守恒定律省公開課一等獎新名師獲獎

試驗六驗證機械能守恒定律1/76【試驗?zāi)繕?biāo)】驗證機械能守恒定律2/76【試驗原理】1.在只有重力做功自由落體運動中,物體重力勢能和動能相互轉(zhuǎn)化,但總機械能保持不變。若物體某時刻瞬時速度為v,下落高度為h,則重力勢能降低許為mgh,動能增加量為mv2,看它們在試驗誤差允許范圍內(nèi)是否相等,若相等則驗證了機械能守恒定律。3/762.計算打第n個點時速度方法:如圖所表示,由公式可得第n個點速度vn=。

4/76【試驗器材】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)。5/76【試驗過程】1.安裝置:按圖示將調(diào)整好打點計時器豎直固定在鐵架臺上,接好電路。6/762.打紙帶:將紙帶一端用夾子固定在重物上,另一端穿過打點計時器限位孔用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器地方。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次試驗。7/763.選紙帶:在打好點紙帶中挑選點跡清楚一條紙帶,在起點標(biāo)上0,以后各點依次標(biāo)上1、2、3、4、……用刻度尺測出對應(yīng)下落高度h1、h2、h3、h4……8/76【數(shù)據(jù)處理】1.求瞬時速度:由公式vn=能夠計算出重物下落hn高度時對應(yīng)瞬時速度vn。9/762.驗證守恒:方法一:利用起始點和第n點計算。代入mghn和假如在試驗誤差允許條件下mghn和相等,則驗證了機械能守恒定律。方法二:任取兩點計算。(1)任取兩點A、B測出hAB,算出mghAB。(2)算出值。10/76(3)在試驗誤差允許條件下,若mghAB=成立,則驗證了機械能守恒定律。方法三:采取圖象法。從紙帶上選取多個點,測量從第一點到其余各點下落高度h,并計算各點速度平方v2,然后以v2為縱軸,以h為橫軸,依據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪出v2-h圖線。若在誤差允許范圍內(nèi)圖線是一條過原點且斜率為g直線,則驗證了機械能守恒定律。11/76【誤差分析】

誤差產(chǎn)生原因減小方法偶然誤差測量長度帶來誤差(1)測量距離時就應(yīng)從計數(shù)0點量起,且選取計數(shù)點離0點遠(yuǎn)些(2)屢次測量取平均值

12/76誤差產(chǎn)生原因減小方法系統(tǒng)誤差重物和紙帶下落過程中存在空氣阻力和摩擦阻力(1)打點計時器安裝穩(wěn)固,并使兩限位孔在同一豎直線上,以減小摩擦阻力(2)選取質(zhì)量大、體積小物體作重物,以減小空氣阻力影響13/76【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線上以減小摩擦阻力。2.重物應(yīng)選取質(zhì)量和密度較大、體積較小物體以減小空氣阻力影響。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。14/764.紙帶長度選取60cm左右為宜,應(yīng)選取點跡清楚紙帶進(jìn)行測量。5.速度不能用vn=gtn計算,因為只要認(rèn)為加速度為g,機械能當(dāng)然守恒,即相當(dāng)于用機械能守恒定律驗證機械能守恒定律。況且用vn=gtn計算出速度比實際值大,會15/76得出機械能增加結(jié)論,而因為摩擦阻力影響,機械能應(yīng)該減小,所以速度應(yīng)從紙帶上直接測量計算。一樣道理,重物下落高度h,也只能用毫米刻度尺直接測量,而不能用hn=或hn=gt2計算得到。6.本試驗無須稱出重物質(zhì)量。

16/76熱點一對試驗數(shù)據(jù)處理和誤差分析考查【典例1】(·北京高考)利用圖甲裝置做“驗證機械能守恒定律”試驗。世紀(jì)金榜導(dǎo)學(xué)號4272212717/76(1)為驗證機械能是否守恒,需要比較重物下落過程中任意兩點間______。A.動能改變量和勢能改變量B.速度改變量和勢能改變量C.速度改變量和高度改變量18/76(2)除帶夾子重物、紙帶、鐵架臺(含鐵夾)、電磁打點計時器、導(dǎo)線及開關(guān)外,在以下器材中,還必須使用兩種器材是______。A.交流電源B.刻度尺C.天平(含砝碼)19/76(3)試驗中,先接通電源,再釋放重物,得到圖乙所表示一條紙帶。在紙帶上選取三個連續(xù)打出點A、B、C,測得它們到起始點O距離分別為hA、hB、hC。已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,打點計時器打點周期為T。設(shè)重物質(zhì)量為m。從打O點到打B點過程中,重物重力勢能改變量ΔEp=____________,動能改變量ΔEk=____________。20/7621/76(4)大多數(shù)學(xué)生試驗結(jié)果顯示,重力勢能降低許大于動能增加量,原因是______。A.利用公式v=gt計算重物速度B.利用公式v=計算重物速度C.存在空氣阻力和摩擦阻力影響D.沒有采取屢次試驗取平均值方法22/76(5)某同學(xué)想用下述方法研究機械能是否守恒:在紙帶上選取多個計數(shù)點,測量它們到起始點O距離h,計算對應(yīng)計數(shù)點重物速度v,描繪v2-h圖象,并做以下判斷:若圖象是一條過原點直線,則重物下落過程中機械能守恒。請你分析論證該同學(xué)判斷依據(jù)是否正確。23/76【解析】(1)由機械能守恒定律可知,需要比較重物下落過程中任意兩點間動能改變量和勢能改變量大小是否相等,A正確。24/76(2)電磁打點計時器使用是交流電源,選A。因為在計算重力勢能改變量時,需要測量紙帶上兩點之間距離,所以還需要刻度尺,選B。依據(jù)mgh=mv2-0,可知不需要使用天平。25/76(3)重力勢能改變量為ΔEp=-mghB,因為下落過程是勻加速直線運動,所以依據(jù)中間時刻速度等于這段時間內(nèi)平均速度可得B點速度為vB=,所以動能變化量ΔEk=26/76(4)試驗過程中存在空氣阻力,紙帶運動過程中存在摩擦阻力,C正確。(5)該同學(xué)判斷依據(jù)不正確,在重物下落h過程中,若阻力Ff恒定,依據(jù)mgh-Ffh=mv2-0?v2=2(g-)h可知,v2-h圖象是過原點一條直線。要想經(jīng)過v2-h圖象方法驗證機械能是否守恒,還必須看圖象斜率是否近似等于2g。27/76答案:(1)A(2)A、B(3)-mghB(4)C(5)該同學(xué)判斷依據(jù)不正確,理由看法析

28/76【強化訓(xùn)練】用如圖甲試驗裝置驗證m1、m2組成系統(tǒng)機械能守恒。m2從高處由靜止開始下落,m1上拖著紙帶打出一系列點,對紙帶上點跡進(jìn)行測量,即可驗證機械能守恒。圖乙給出是試驗中獲取一條紙帶:0是打下第一個點,每相鄰兩計數(shù)點間還有4個點(圖中未標(biāo)出),計數(shù)點間距離如圖乙所表示。已知電源頻率為29/7650Hz,m1=50g、m2=150g,g取10m/s2,則30/76(1)在紙帶上打下計數(shù)點5時速度v=________m/s。(2)在打點0～5過程中系統(tǒng)動能增加量ΔEk=________J,系統(tǒng)勢能降低許ΔEp=________J,由此得出結(jié)論是____________。(3)試驗結(jié)果顯示ΔEp>ΔEk,那么造成這一現(xiàn)象主要原因是______________________。(4)若某同學(xué)作出v2-h圖象如圖丙所表示,則當(dāng)?shù)貙嶋H重力加速度g=________m/s2。31/7632/76【解析】(1)在紙帶上打下計數(shù)點5時速度v==2.4m/s。(2)在打點0～5過程中系統(tǒng)動能增加量ΔEk=(m1+m2)v2=×0.2×2.42J=0.576J;系統(tǒng)重力勢能降低量ΔEp=(m2-m1)gh=0.1×10×(0.216+0.384)J=0.600J,在誤差允許范圍內(nèi),系統(tǒng)機械能守恒。33/76(3)因空氣阻力、紙帶與限位孔間阻力及滑輪軸間阻力做負(fù)功,使系統(tǒng)重力勢能降低許大于系統(tǒng)動能增加量。(4)由系統(tǒng)機械能守恒得(m2-m1)gh=(m1+m2)v2,解得v2=gh,圖線斜率k=m/s2,解得g=9.7m/s2。34/76答案:(1)2.4(2)0.5760.600在誤差允許范圍內(nèi),系統(tǒng)機械能守恒(3)摩擦阻力造成機械能損失(4)9.735/76【反思?xì)w納】數(shù)據(jù)處理“兩點”注意(1)計算法:經(jīng)過計算比較重力勢能降低許與動能增加量是否相等驗證機械能守恒定律時,注意重力加速度取值和有效數(shù)字保留。36/76(2)圖象法:經(jīng)過圖象驗證機械能是否守恒,要依據(jù)機械能守恒定律寫出圖象對應(yīng)函數(shù)表示式,搞清圖象斜率物理意義,如v2-h圖象、v2-h圖象、v2-2h圖象,依據(jù)圖象計算出重力加速度,計算結(jié)果與當(dāng)?shù)刂亓铀俣缺容^,依據(jù)二者是否在誤差允許范圍內(nèi)近似相等,判斷機械能是否守恒。37/76熱點二對試驗遷移應(yīng)用考查【典例2】(·全國卷Ⅱ)某物理小組對輕彈簧彈性勢能進(jìn)行探究,試驗裝置如圖甲所表示。輕彈簧放置在光滑水平桌面上,彈簧左端固定,右端與一物塊接觸而不連接,紙帶穿過打點計時器并與物塊連接。向左推物塊使彈簧壓縮一段距離,由靜止釋放物塊,經(jīng)過測量和計算,可求得彈簧被壓縮后彈性勢能。世紀(jì)金榜導(dǎo)學(xué)號4272212838/7639/76(1)試驗中包括以下操作步驟:①把紙帶向左拉直②松手釋放物塊③接通打點計時器電源④向左推物塊使彈簧壓縮,并測量彈簧壓縮量上述步驟正確操作次序是________(填入代表步驟序號)。40/76(2)圖乙中M和L紙帶是分別把彈簧壓縮到不一樣位置后所得到實際打點結(jié)果。打點計時器所用交流電頻率為50Hz。由M紙帶所給數(shù)據(jù),可求出在該紙帶對應(yīng)試驗中物塊脫離彈簧時速度為________m/s。比較兩紙帶可知,________(選填“M”或“L”)紙帶對應(yīng)試驗中彈簧被壓縮后彈性勢能大。41/7642/76【思索探究】(1)壓縮彈簧含有彈性勢能,且彈簧壓縮量越大,彈性勢能_____。(2)彈簧與物塊之間能量怎樣轉(zhuǎn)化?提醒:彈簧與物塊組成系統(tǒng)機械能守恒,物塊運動過程中,彈簧彈性勢能轉(zhuǎn)化為物塊動能。越大43/76【解析】(1)試驗中操作步驟為首先向左推物塊使彈簧壓縮,并測量彈簧壓縮量。在利用紙帶打點之前,先把紙帶向左拉直。為了使紙帶上點能統(tǒng)計物塊運動情況,應(yīng)先接通打點計時器電源,再松手釋放物塊。所以試驗操作步驟為④①③②。44/76(2)脫離彈簧后物塊做勻速直線運動,則紙帶M運動末速度vM=×10-2m/s=1.29m/s,紙帶L運動末速度vL=×10-2m/s=0.77m/s。由動能定理可知,松手釋放物塊后,彈性勢能完全轉(zhuǎn)化為動能,所以物塊末動能越大,則彈簧被壓縮后彈性勢能越大,則EpM>EpL。答案:(1)④①③②(2)1.29M45/76【強化訓(xùn)練】(·浦東區(qū)模擬)某同學(xué)依據(jù)機械能守恒定律,設(shè)計試驗探究彈簧彈性勢能與壓縮量關(guān)系。(1)如圖甲所表示,將輕質(zhì)彈簧下端固定于鐵架臺,在上端托盤中依次增加砝碼,測得對應(yīng)彈簧長度,部分?jǐn)?shù)據(jù)如表所表示,由數(shù)據(jù)算得勁度系數(shù)k=________N/m。(g取9.8m/s2)46/76砝碼質(zhì)量/g50100150彈簧長度/cm8.627.646.6647/76(2)取下彈簧,將其一端固定于氣墊導(dǎo)軌左側(cè),如圖乙所表示;調(diào)整導(dǎo)軌使滑塊自由滑動時,經(jīng)過兩個光電門速度大小________。(3)用滑塊壓縮彈簧,統(tǒng)計彈簧壓縮量x;釋放滑塊,統(tǒng)計滑塊脫離彈簧后速度v,釋放滑塊過程中,彈簧彈性勢能轉(zhuǎn)化為__________。48/76(4)重復(fù)(3)中操作,得到v與x關(guān)系如圖丙所表示,由圖可知,v與x成________關(guān)系。由上述試驗可得結(jié)論:對同一根彈簧,其彈性勢能與彈簧________成正比。49/76【解析】(1)表格中,當(dāng)砝碼質(zhì)量為50g時,彈簧長度為8.62cm,當(dāng)砝碼質(zhì)量為100g時,彈簧長度為7.64cm,當(dāng)砝碼質(zhì)量為150g時,彈簧長度為6.66cm,依據(jù)胡克定律,F=kΔx,設(shè)彈簧勁度系數(shù)為k,原長為x0,則有0.05×9.8N=k(x0-0.0862m),0.1×9.8N=k(x0-0.0764m),0.15×9.8N=k(x0-0.0666m),聯(lián)立任意兩式解得k=50N/m。50/76(2)經(jīng)過光電門來測量瞬時速度,從而取得釋放壓縮彈簧后滑塊速度,為使彈性勢能完全轉(zhuǎn)化為動能,則導(dǎo)軌必須水平,所以經(jīng)過兩個光電門速度大小需相等。(3)用滑塊壓縮彈簧,統(tǒng)計彈簧壓縮量x;釋放滑塊,統(tǒng)計滑塊脫離彈簧后速度v,釋放滑塊過程中,彈簧彈性勢能轉(zhuǎn)化為滑塊動能。51/76(4)依據(jù)v與x關(guān)系圖可知,圖線經(jīng)過原點,且是傾斜直線,則v與x成正比,由動能表示式,動能與速度大小平方成正比,而速度大小與彈簧壓縮量成正比,所以彈簧彈性勢能與彈簧壓縮量平方成正比。答案:(1)50(2)相等(3)滑塊動能(4)正比壓縮量平方52/76【反思?xì)w納】彈簧系統(tǒng)機械能守恒遷移應(yīng)用(1)判斷彈簧壓縮量:可依據(jù)彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能大小判斷。53/76(2)計算彈性勢能:經(jīng)過計算物體動能改變量,再依據(jù)機械能守恒求出彈簧彈性勢能。(3)求解彈簧勁度系數(shù):測出彈簧形變量x及對應(yīng)彈力,畫出彈簧彈力隨形變量x改變圖象,由圖象斜率意義求出勁度系數(shù)。54/76熱點三試驗拓展與創(chuàng)新【典例3】(·江蘇高考)某同學(xué)用如圖甲所表示裝置驗證機械能守恒定律。一根細(xì)線系住鋼球,懸掛在鐵架臺上,鋼球靜止于A點。光電門固定在A正下方,在鋼球底部豎直地粘住一片寬度為d遮光條。將鋼球拉至不一樣位置由靜止釋放,遮光條經(jīng)過光電門擋光時間55/76t可由計時器測出,取v=作為鋼球經(jīng)過A點時速度。統(tǒng)計鋼球每次下落高度h和計時器示數(shù)t,計算并比較鋼球在釋放點和A點之間勢能改變大小ΔEp與動能改變大小ΔEk,就能驗證機械能是否守恒。世紀(jì)金榜導(dǎo)學(xué)號4272212956/7657/76(1)用ΔEp=mgh計算鋼球重力勢能改變大小,式中鋼球下落高度h應(yīng)測量釋放時鋼球球心到________之間豎直距離。A.鋼球在A點時頂端B.鋼球在A點時球心C.鋼球在A點時底端58/76(2)用ΔEk=mv2計算鋼球動能改變大小,用刻度尺測量遮光條寬度,示數(shù)如圖乙所表示,其讀數(shù)為___________cm。某次測量中,計時器示數(shù)為0.0100s,則鋼球速度為v=________m/s。59/76(3)下表為該同學(xué)試驗結(jié)果:

ΔEp/×10-2J4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk/×10-2J5.0410.115.120.029.860/76他發(fā)覺表中ΔEp與ΔEk之間存在差異,認(rèn)為這是因為空氣阻力造成。你是否同意他觀點?請說明理由。(4)請你提出一條減小上述差異改進(jìn)提議。61/76【解析】(1)將鋼球視為質(zhì)點,所以鋼球下落高度h應(yīng)測量釋放時鋼球球心到鋼球在A點時球心距離。(2)從圖中讀出遮光條寬度為1.50cm(1.49～1.51都算對)。速度v==1.50m/s。(3)試驗中若有空氣阻力作用,會造成ΔEk小于ΔEp,所以該同學(xué)觀點是錯誤。(4)分別測出光電門和球心到懸點長度L和l,計算ΔEk時,將v折算成鋼球速度v′=。62/76答案:(1)B(2)1.50(1.49～1.51都算對)1.50(3)不一樣意,因為空氣阻力會造成ΔEk小于ΔEp,但表中ΔEk大于ΔEp。(4)分別測出光電門和球心到懸點長度L和l,計算ΔEk時,將v折算成鋼球速度v′=。63/76【強化訓(xùn)練】1.(·鹽城模擬)某課外活動小組利用豎直上拋運動驗證機械能守恒定律。(1)某同學(xué)用20分度游標(biāo)卡尺測量小球直徑,讀數(shù)如圖甲所表示,小球直徑為________cm。圖乙所表示彈射裝置將小球豎直向上拋出,先后經(jīng)過光電門A、B,計時裝置64/76測出小球經(jīng)過A、B時間分別為2.55ms、5.15ms,由此可知小球經(jīng)過光電門A、B時速度分別為vA、vB,其中vA=________m/s。65/76(2)用刻度尺測出光電門A、B間距離h,已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,只需比較________是否相等,就能夠驗證機械能是否守恒(用題目中包括物理量符號表示)。(3)經(jīng)過屢次試驗發(fā)覺,小球經(jīng)過光電門A時間越短,(2)中要驗證兩數(shù)值差越大,試分析試驗中產(chǎn)生誤差主要原因是______________________。66/76【解析】(1)小球直徑為10mm+0.05×4mm=10.20mm=1.020cm;vA==4.0m/s。(2)若動能增加量和重力勢能降低許相等,則機械能守恒。重力勢能降低許為mgh,動能