江苏专用2020版高考物理新增分大一轮复习第五章机械能实验五验证机械能守恒定律讲义含解析.pdf
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1、实验五 验证机械能守恒定律实验五 验证机械能守恒定律 1实验目的 验证机械能守恒定律 2实验原理(如图 1 所示) 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 图 1 3实验器材 打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线两根 4实验步骤 (1)安装器材:将打点计时器固定在铁架台上,用导线将打点计时器与低压电源相连 (2)打纸带 用手竖直提起纸带,使重物停靠在打点计时器下方附近,先接通电源,再松开纸带,让重物 自由下落, 打点计时器就在纸带上打出一系列的点, 取下纸带, 换上新的纸带重
2、打几条(35 条)纸带 (3)选纸带:分两种情况说明 若选第 1 点 0 到下落到某一点的过程,即用mghmv2来验证,应选点迹清晰,且 1、2 两 1 2 点间距离小于或接近 2mm 的纸带 用mvmvmgh验证时,由于重力势能的相对性,处理纸带时选择适当的点为基准 1 2 B2 1 2 A2 点即可 5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 6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 Ekmv必 1 2 n
3、2 定稍小于重力势能的减少量 Epmghn,改进办法是调整安装的器材,尽可能地减小阻力 7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:计算某时刻的瞬时速度用vn,不能用vn或vngt hn1hn1 2T 2ghn 来计算 8验证方案 方案一:利用起始点和第n点计算 代入mghn和mv,如果在实验误差允许的范围内,mghn和mv相等,则验证了机械能守恒 1 2 n2 1 2 2n 定律 方案二:任
4、取两点计算 (1)任取两点A、B,测出hAB,算出mghAB. (2)算出mvmv的值 1 2 B2 1 2 A2 (3)在实验误差允许的范围内,若mghABmvmv,则验证了机械能守恒定律 1 2 B2 1 2 A2 方案三: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v2为纵轴,以h为横轴,根据实验数据作出v2h图象若在误差允许的范围内图 1 2 1 2 象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 命题点一 教材原型实验命题点一 教材原型实验 例 1 (2018扬州中学 5 月模拟)用落体法验证机械能守恒定律,器材安装如图
5、2. 图 2 (1)请指出图中的错误及不妥之处(至少写出两处) _; _. (2)改进实验中错误及不妥之处后, 打出如图 3 所示一条纸带 已知打点计时器所接电源频率 为 50Hz,根据纸带所给数据,打C点时重物的速度为_m/s.(结果保留三位有效数字) 图 3 (3)某同学选用两个形状相同、质量不同的重物a和b进行实验测得几组数据,画出h的 v2 2 图象如图 4 所示, 求出图线的斜率k, 由图象可知a的质量m1_b的质量m2(选填 “大于” 或“小于”) 图 4 (4)通过分析发现造成k2值偏小的原因是实验过程中存在各种阻力,已知实验所用重物的质 量m20.052kg,当地重力加速度g9
6、.78m/s2,求出重物所受的平均阻力Ff_N. 答案 (1)使用的是直流电源 重物离打点计时器太远 没有从上方提着纸带, 而是用 手托着重物 (2)2.25 (3)大于 (4)0.0312 变式 1 (2018泰州中学月考)在用打点计时器“验证机械能守恒定律”的实验中,使质量 为m1.00kg 的重物自由下落,打点计时器在纸带上打出一系列的点,选取一条符合实验要 求的纸带如图 5 所示O为第一个点,A、B、C为从合适位置开始选取连续点中的三个点已 知打点计时器每隔 0.02s 打一个点,当地的重力加速度为g9.80m/s2,那么: 图 5 (1)根据图中的数据,应取图中O点到_点的过程来验证
7、机械能守恒定律; (2)从O点到(1)问中所取的点, 重物重力势能的减少量 Ep_J, 动能增加量 Ek _J(结果均保留三位有效数字); (3)若测出纸带上所有各点到O点之间的距离, 根据纸带算出各点的速度v及物体下落的高度 h,则以为纵轴,以h为横轴画出的图象是下图中的_ v2 2 答案 (1)B (2)1.88 1.84 (3)A 命题点二 实验方案的创新命题点二 实验方案的创新 例 2 (2018扬州市一模)某同学利用如图 6 所示的实验装置“验证机械能守恒定律” 将 气垫导轨固定在水平桌面上,调节旋钮使其水平在气垫导轨的左端固定一光滑的定滑轮, 在B处固定一光电门,测出滑块及遮光条的
8、总质量为M,将质量为m的钩码通过细线与滑块 连接打开气源,滑块从A处由静止释放,宽度为b的遮光条经过光电门的挡光时间为t, 取挡光时间t内的平均速度作为滑块经过B处的速度,A、B之间的距离为d,重力加速度为g. 图 6 (1)调整光电门的位置, 使得滑块通过B点时钩码没有落地 滑块由A点运动到B点的过程中, 系统动能增加量 Ek为_,系统重力势能减少量 Ep为_(以上结果均用题 中所给字母表示) (2)若实验结果发现 Ek总是略大于 Ep,可能的原因是_ A存在空气阻力 B滑块没有到达B点时钩码已经落地 C测出滑块左端与光电门B之间的距离作为d D测出滑块右端与光电门B之间的距离作为d 答案
9、见解析 解析 (1)滑块通过光电门B速度为:vB ;滑块从A处到达B处时m和M组成的系统动能 b t 增加量为:Ek (Mm)( )2; 1 2 b t Mmb2 2t2 系统的重力势能减少量可表示为:Epmgd. (2)若存在空气阻力,则有 Ek总是略小于 Ep,故 A 错误;滑块没有到达B点时钩码已经 落地,拉力对滑块做的功会减小,Ek应小于 Ep,故 B 错误;将滑块左端与光电门B之间 的距离作为d,钩码下落的高度算少了,Ek将大于 Ep,故 C 正确 ; 将滑块右端与光电门B 之间的距离作为d,钩码下落的高度算多了,Ek将小于 Ep,故 D 错误 例 3 (2016江苏单科11)某同学
10、用如图 7 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每次下落的高度h和计 d t 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 图 7 (1)用 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
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