高考总复习物理课件 实验6验证机械能守恒定律

用 验证： 这是回避起始点，在纸带上选择后面的某两点验证 机械能守恒定律的方法．由于重力势能的相对性， 处理纸带时选择适当的点为基准点，势能的大小不 必从起始点开始计算．这样，纸带上打出起始点O 后的第一个0.02 s内的位移是否接近2 mm，以及第 一个点是否清晰也就无关紧要了．实验打出的任何 一条纸带，只要后面的点迹清晰，都可以用于验证 机械能械能守恒定律． 二、实验原理
图1
该式左边表示物体由A到B过程中动能的增加，右 边表示物体由A到B过程中重力势能的减少．等式 说明，物体重力势能的减少等于动能的增加．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．
(1)滑块通过光电门1时的速度v1＝________ m/s， 通过光电门2时的速度v2＝________ m/s； (2)滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为 ________ J，重力势能的减少量为________ J.
图8
答案：(1)1
2.5
(2)5.25
5.292
6．(2008·江苏高考)某同学利用如图9所示的实验 装置验证机械能守恒定律．弧形轨道末端水平，离 地面的高度为H.将钢球从轨道的不同高度h处静止 释放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为x.
图7
答案：(1)步骤B是错误的，应该接到电源的交流输 出端．步骤D是错误的，应该先接通电源，待打点 稳定后再释放纸带，步骤C不必要，因为根据测量 原理，重锤的动能和势能中都包含了质量m，可以 约去 (2)
5．利用图8所示的装置验证机械能守恒定律．图中 AB是固定的光滑斜面，斜面的倾角为30°，1和2 是固定在斜面上适当位置的两个光电门，当光电门 中有物体通过时与它们连接的光电计时器(都没有 画出)能够显示挡光时间．让滑块从斜面的顶端滑 下，光电门1、2各自连接的光电计时器显示的挡光 时间分别为5.00×10－2 s、2.00×10－2s.已知滑块质 量为2.00 kg，滑块沿斜面方向的长度为5.00 cm， 光电门1和2之间的距离为0.54 m，g＝9.80 m/s2，取 滑块经过光电门时的速度为其平均速度．
当然，实验开始时如果不是用手提着纸带的上端， 而是用夹子夹住纸带的上端，待开始打点后再松开 夹子释放纸带，打点计时器打出的第一个点的点迹 清晰，计算时从第一个计时点开始至某一点的机械 能守恒，其误差也不会太大．回避第一个计时点的 原因也包括实验时手提纸带的不稳定，使第一个计 时点打出的点迹过大，从而使测量误差加大． 2．速度的测量：做匀变速直线运动的纸带上某点 的瞬时速度，等于相邻两点间的平均速度．
③实验小组在验证机械能守恒定律的实验中发现， 重锤减少的重力势能总是大于重锤动能的增加，其 原因主要是因为在重锤下落的过程中存在阻力作用， 因此想到可以通过该实验装置测阻力的大小．根据 已知当地重力加速度公认的较准确的值为g，电源 的频率为f，又测量出物理量________．他(她)们用 这些物理量求出了重锤在下落的过程中受到的平均 阻力大小F＝________(用字母表示)．
三、实验仪器 打点计时器、电源、纸带、复 写纸片、重物、刻度尺、带有 铁夹的铁架台、导线两根． 四、实验方法 1．求A点的瞬时速度vA的方法
图2
根据做匀加速运动的物体在某一段时间t内的平均 速度等于该时间段中间时刻的瞬时速度可求出A点 的瞬时速度vA. 图2是竖直纸带由下而上实际打点后的情况．从O 点开始依次取点1,2,3„，图中x1，x2，x3，„分别 为0～2点，1～3点，2～4点„各段的距离． 根据公式 ，t＝2×0.02 s(纸带上任意两个相 邻的点间所表示的时间都是0.02 s)，可求出各段的 平均速度．这些平均速度就等于是1,2,3，„，各点 相对应的瞬时速度v1，v2，v3，„.例如：量出0～2 点间距离x1，则在这段时间里的平均速 度 ，这就是点1处的瞬时速度v1.依次类推 可求出点2,3，„处的瞬时速度v2，v3，„
八、实验注意事项 1．做好本实验的关键是尽量减少重物下落时纸带 所受到的阻力．实验设备安装时，为使纸带受到的 阻力尽可能小，计时器必须固定，并且计时器平面 应在竖直方向，使其两限位孔在同一竖直平面内， 以尽量减少重物带着纸带下落时所受到的阻力作 用． 2．实验时，需保持提纸带的手不动，必须先接通 电源，让打点计时器工作正常后才松开纸带让重物 下落，以保证第一个点是一个清晰的点．
如图4所示，经测量知道A、B、C、D各点到O点的 距离分别为62.99 cm、70.18 cm、77.76 cm、85.73 cm，根据以上数据，可知重物由O点运动到C点， 重力势能的减少量等于________J，动能的增加量 等于________J．(取三位有效数字)
图4
[解析] 先求出重物下落的距离和获得的速度，再 求重物重力势能的减少量和动能的增加量． C点至O点的距离hC＝77.76 cm＝0.7776 m， 故重物由O点运动到C点重力势能的减少量为 －ΔEp＝mghC＝1×9.8×0.7776 J≈7.62 J. 重物过C点的瞬时速度
4．用刻度尺测量纸带从点O到点1、2„之间的距 离h1、h2„计算出相应减少的重力势能．
六、实验数据处理 本实验数据处理，主要体现在对纸带的选取和速度 的测量两方面． 1．关于纸带的选取，我们分两种情况加以说明： 用 mv2＝mgh验证：这是以纸带上第一点(起始点) 为基准点验证机械能守恒定律的方法．由于第一点 应是重物做自由落体运动开始下落的点，所以应选 取点迹清晰且第1、2两点间的距离接近2 mm的纸 带．
图6
(1)下面列举了该实验的几个操作步骤： A．按照图示的装置安装器件； B．将打点计时器接到电源的直流输出端上； C．用天平测量出重锤的质量； D．释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出 一条纸带； E．测量打出的纸带上某些点之间的距离； F．根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重 力势能是否等于增加的动能．
1．在做验证机械能守恒定律的实验时，发现重锤 减少的势能总是大于重锤增加的动能，造成这种现 象的原因是 ( ) A．选用的重锤质量过大 B．选用的重锤质量过小 C．空气对重锤的阻力和打点计时器对纸带的阻力 D．实验时操作不够细，实验数据测量不准确 答案：C
2．在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列物理 量中需要用工具测量的有( )；通过计算得到的有 ( ) A．重锤的质量 B．重力加速度 C．重锤下落的高度 D．与重锤下落高度对应的重锤瞬时速度 答案：CD
2．确定重物下落的高度的方法 图2中h1，h2，h3，„分别为纸带从O点下落的高 度．
图3 根据以上数值可以计算出任意点的重力势能和动能，
五、实验步骤 1．如图3所示，将纸带固定在重物上，让纸带穿过 打点计时器； 2．用手握着纸带，让重物静止在打点计时器附近， 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． 3．从几条打下点的纸带中挑选第一、二点间距离 接近2 mm且点迹清楚的纸带进行测量，测出各计 数点到第一个点的距离d1、d2，„.据公式vn＝ ，计算物体在打下点1、2„时的瞬时速度 v1、v2„计算相应的动能的增加值．
指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤， 将其选项对应的字母填在下面的横线上，并说明其 原因． 答：___________________________________.
(2)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的 值，如图7所示．根据打出的纸带，选取纸带上打 出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起始 点O的距离为x0，点A、C间的距离为x1，点C、E间 的距离为x2，使用交流电的频率为f，则根据这些条 件计算重锤下落的加速度a的表达式为：a＝ ________.
图9
(1)若轨道完全光滑，x2与h的理论关系应满足x2＝ ________(用H、h表示)． (2)该同学经实验测量得到一组数据，如下表所示： h(10－1m) 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 x2(10－ 2.62 3.89 5.20 6.53 7.78 1m2) 请在坐标纸上作出x2－h关系图．
(2)在验证机械能守恒定律的实验中：
图5 ①自由落下的重锤质量要大一些，这是为了减少 ____________________________________________ ____________________________ 对实验的影响． ②实验中________测定重锤的质量(填“需要”或 “不要”)．
[答案]
7.62
7.56
题后反思：本例中，我们以第一点(起始点)为基准 点进行验证，在实验误差范围内可以认为ΔEk＝ΔEp， 从而验证了机械能守恒定律．值得注意的是C点瞬 时速度的求法：做匀变速直线运动的纸带上某点的 瞬时速度，等于相邻两点间的平均速度．
(1)在做“验证机械能守恒定律”的实验时，实验 小组不慎将一条选择好的纸带的前面一部分损坏了， 剩下的一部分纸带上各点间的距离如图5所示，已 知打点计时器的打点周期为T＝0.02 s，重力加速度 g＝9.8 m/s2；重锤的质量为m，已知x1＝0.98 cm， x2＝1.42 cm，x3＝1.78 cm，则记录B点时重锤的动 能EkB＝________J(用字母表示)，记录C点时重锤 的动能EkC＝0.32m J；重锤从B点到C点重力势能变 化量是________ J，动能变化量是________ J．从 而可以得出结论：________.
七、实验误差分析 重物和纸带下落过程中要克服阻力，主要是纸带与 计时器之间的摩擦力．计时器平面不在竖直方向， 纸带平面与计时器平面不平行是阻力增大的原 因．电磁打点计时器的阻力大于电火花计时器．由 于阻力的存在，重物动能的增加量稍小于势能的减 少量，即Ek<Ep. 交流电的频率f不是50 Hz也会带来误差．若f>50 Hz， 由于速度值仍按频率为50 Hz计算，频率的计算值 比实际值偏小，周期值偏大，算得的速度值偏小， 动能值也就偏小，使Ek<Ep的误差进一步加大；根 据同样的道理，若f<50 Hz，则可能出现Ek>Ep的结 果．