高三物理一轮复习专题实验6 验证机械能守恒定律(含解析)

实验6:验证机械能守恒定律一、实验目的验证机械能守恒定律.二、实验原理在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能互相转化,但总的机械能守恒。

若物体从静止开始下落，下落高度为h 时的速度为v,恒有mgh＝错误!m v2。

故只需借助打点计时器，通过纸带测出重物某时刻的下落高度h和该时刻的瞬时速度v，即可验证机械能守恒定律。

测定第n点的瞬时速度的方法是：测出第n点相邻的前、后两段相等时间间隔T内下落的高度x n－1和x n＋1(或用h n－1和h n＋1）,然后由公式v n＝错误!或由v n＝错误!可得v n(如图所示)。

三、实验器材铁架台（带铁夹）、电磁打点计时器与低压交流电源（或电火花打点计时器)、重物(带纸带夹子)、纸带数条、复写纸片、导线、毫米刻度尺。

四、实验步骤1．安装器材：如图所示,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,此时电源开关应为断开状态。

2．打纸带：把纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，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，待计时器打点稳定后再松开纸带，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，换上新的纸带重打几条（3~5条)纸带。

3．选纸带:分两种情况说明（1)若选第1点O到下落到某一点的过程，即用mgh＝错误!m v2来验证,应选点迹清晰，且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带,若1、2两点间的距离大于2 mm，这是由于打点计时器打第1个点时重物的初速度不为零造成的(如先释放纸带后接通电源等错误操作会造成此种结果)。

这样第1个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选。

（2)用错误!m v错误!－错误!m v错误!＝mgΔh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点，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2 mm就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可以选用。

五、数据处理方法一：利用起始点和第n点计算代入mgh n和错误!m v错误!,如果在实验误差允许的条件下,mgh n和错误!m v错误!相等，则验证了机械能守恒定律。

方法二:任取两点计算（1)任取两点A、B，测出h AB,算出mgh AB。

(2）算出错误!m v错误!－错误!m v错误!的值。

（3）在实验误差允许的条件下,若mgh AB＝错误!m v错误!－错误!m v2A，则验证了机械能守恒定律.方法三：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12v2为纵轴,以h为横轴，根据实验数据作出12v2h图线.若在误差允许的范围内图线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。

六、误差分析1．本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(如空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量ΔE k稍小于重力势能的减少量ΔE p,即ΔE k〈ΔE p，这属于系统误差。

改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力.2．本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差。

减小误差的办法是测下落距离时都从O点量起,一次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值来减小误差。

七、注意事项1．安装打点计时器时，必须使两纸带限位孔在同一竖直线上,以减小摩擦阻力。

2．实验时必须保持提起的纸带竖直,手不动，待接通电源，让打点计时器工作稳定后再松开纸带。

3．选取的初、末位置附近的上、下点迹应清晰，其间的长度不宜太小，也不宜太长,有效长度可在60～80 cm。

4．为了增加实验的可靠性，可重复实验,还可以在一次下落中测量多个位置的速度，比较重物在这些位置上的动能与势能之和。

八、实验改进1．物体的速度可以用光电计时器测量，以减小由于测量和计算带来的误差。

2．整个实验装置可以放在真空的环境中操作,如用牛顿管和频闪照相进行验证，以消除由于空气阻力作用而带来的误差。

3．可以利用气垫导轨来设计该实验,以减小由于摩擦带来的误差。

命题研究一、对实验原理及误差分析的考查【题例1】如图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图.现有的器材为:带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、刻度尺、天平。

回答下列问题：（1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有__________________。

(填入正确选项前的字母）A．米尺B．秒表C．0~12 V的直流电源D．0～12 V的交流电源（2)实验中误差产生的原因有______________________。

（写出两个原因）思路点拨：弄清实验原理、具体操作步骤、实验误差来源。

解题要点：命题研究二、实验数据的处理【题例2】现要通过实验验证机械能守恒定律。

实验装置如图1所示:水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨;导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时的挡光时间t。

用d 表示A点到导轨底端C点的距离，h表示A与C的高度差，b表示遮光片的宽度，s表示A、B两点间的距离,将遮光片通过光电门的平均速度看做滑块通过B点时的瞬时速度。

用g表示重力加速度.完成下列填空和作图：(1）若将滑块自A 点由静止释放，则在滑块从A 运动至B 的过程中,滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为______,动能的增加量可表示为______.若在运动过程中机械能守恒，错误!与s 的关系式为错误!＝______。

(2）多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点（A 点）下滑，测量相应的s 与t 值。

如果如下表所示：以s 错误!1和第5个数据点;根据5个数据点作直线，求得该直线的斜率k ＝______×104 m －1·s －2（保留三位有效数字）。

图2 由测得的h 、d 、b 、M 和m 数值可以计算出1t2s 直线的斜率k 0,将k 和k 0进行比较，若其差值在实验允许的范围内，则可认为此实验验证了机械能守恒定律。

解题要点:规律总结高考实验题多是对教材实验或常见练习题进行器材和装置的改换而成，解决此类问题的思路是从机械能守恒的方程出发，按照实验题目的要求，进行实验的设计或有关量的测量。

命题研究三、改进创新实验【题例3】（2012·江苏苏北四星级高中联考）用如图实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。

m2从高处由静止开始下落,m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。

下图给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点,每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图所示。

已知m1＝50 g、m2＝150 g,则（g取9.8 m/s2，所有结果均保留三位有效数字).(1）在纸带上打下计数点5时的速度v5＝____ m/s;（2)在打点0～5过程中系统动能的增量ΔE k＝________ J，系统势能的减少量ΔE p＝______ J；(3)若某同学作出错误!h图象如图,则当地的实际重力加速度g＝________ m/s2。

解题要点：规律总结创新性（或设计性)实验的解决步骤：1．找原型：把教材中的实验原型或者相关的物理理论知识在头脑中完整、准确地重现出来；2．找差别：将实验中所给器材与实验原型中器材进行对比，看一下少了什么器材或什么器材的量程不满足要求，再看一个“多”给了什么器材，注意“多给"的器材往往就是解决问题的金钥匙；3．定原理：实验设计的关键在于实验原理的设计，它是进行实验的依据和起点，它决定了应选用(或还需要）哪些实验器材，应测量哪些物理量，如何编排实验步骤，而实验原理的设计又往往依赖于所提供的实验器材（条件）和实验要求，它们相辅相成,互为条件；4．定方案：根据与原型实验对比的结果和确定的实验原理与器材,确定需要测量的物理量，来确定实验方案与步骤。

1.在做验证机械能守恒定律实验时，发现重物减少的重力势能总是大于重物增加的动能,造成这种现象的原因是（)A．选用的重物质量过大B．重物质量测量不准C．空气对重物的阻力和打点计时器对纸带的阻力D．实验时操作不太仔细，实验数据测量不准确2．(2012·山东济南模拟)在验证机械能守恒定律的实验中，使质量为m＝200 g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所示。

O为纸带下落的起始点,A、B、C为纸带上选取的三个连续点.已知打点计时器每隔T＝0。

02 s打一个点，当地的重力加速度为g＝9.8 m/s2，那么(1）计算B点瞬时速度时,甲同学用v错误!＝2gs OB，乙同学用v B ＝错误!。

其中所选择方法正确的是____（选填“甲"或“乙”)同学.（2)同学丙想根据纸带上的测量数据进一步计算重物和纸带下落过程中所受的阻力，为此他计算出纸带下落的加速度为______ m/s2，从而计算出阻力F f＝______ N。

(3)若同学丁不慎将上述纸带从OA之间扯断，他仅利用A点之后的纸带能否实现验证机械能守恒定律的目的？________。

(选填“能”或“不能”）3．(2012·福建漳州五校联考）某实验小组利用如图甲所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒.甲（1）实验前需要调整气垫导轨底座使之水平，利用现有器材如何判断导轨是否水平？______________________________________________________ __________________。

(2)如图乙所示,用游标卡尺测得遮光条的宽度d＝________ cm；实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt＝1。

2×10－2 s，则滑块经过光电门时的瞬时速度为______ m/s.在本次实验中还需要测量的物理量有：钩码的质量m、____________和____________（文字说明并用相应的字母表示）。

乙（3)本实验通过比较________和______在实验误差允许的范围内相等（用测量的物理量符号表示)，从而验证了系统的机械能守恒。

4．(2012·云南部分名校联考)某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图甲所示。

在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电传感器A、B,滑块P上固定一遮光条，若光线被遮光条遮挡,光电传感器会输出高电压,两光电传感器采集数据后与计算机相连.滑块在细线的牵引下向左加速运动，遮光条经过光电传感器A、B时，通过计算机可以得到如图乙所示的电压U随时间t变化的图象。

（1)实验前接通气源，将滑块(不挂钩码）置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的Δt1________(选填“大于”“等于"或“小于”)Δt2时，说明气垫导轨已经水平.（2）用螺旋测微器测遮光条宽度d，测量结果如图丙所示,则d ＝______ mm.（3)滑块P用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与质量为m的钩码Q相连，将滑块P由图甲所示位置释放,通过计算机得到的图象如图乙所示，若Δt1、Δt2、m、g和d已知，要验证滑块和砝码组成的系统机械能是否守恒，还应测出________和________(写出物理量的名称及符号）.（4)若上述物理量间满足关系式____________,则表明滑块和砝码组成的系统机械能守恒。