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2011高三物理一轮复习精品课件:5.4 实验:验证机械能守恒定律


实验: 第4课时 实验: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 当物体自由下落时,只有______做功 做功, 当物体自由下落时,只有 重力 做功,物体 的重力势能和动能互相转化,机械能守恒. 的重力势能和动能互相转化,机械能守恒.

若某一时刻物体下落的瞬时速度为v, 若某一时刻物体下落的瞬时速度为 ,

下落高度 为h,借助打点计时器,测出重物某时刻的下落 ,借助打点计时器, 高度h和该时刻的瞬时速度 和该时刻的瞬时速度v,算出____和 高度 和该时刻的瞬时速度 ,算出 mgh 和 mv2/2 , __________,若mgh=mv2/2,即可验证机械能 = , 守恒. 守恒. 测定第n点的瞬时速度的方法是 如图所示, 点的瞬时速度的方法是: 测定第 点的瞬时速度的方法是:如图所示,测 出第n点的相邻前 后两段相等时间T内下落的 点的相邻前、 出第 点的相邻前、后两段相等时间 内下落的 距离s 由公式v 距离 n和sn+1,由公式 n=(sn+sn+1)/(2T),或vn , + + =(dn+1-dn-1)/(2T),求出打第 个点时纸带的瞬 ,求出打第n个点时纸带的瞬 + - 时速度. 时速度.

三、实验器材 铁架台(带铁夹 带铁夹), 打点计时器 带复写纸 带复写纸) 铁架台 带铁夹 , ____________(带复写纸 学生电源,导线,带铁夹的重锤,纸带, ,学生电源,导线,带铁夹的重锤,纸带, 毫米刻度尺 . _______________.

四、实验步骤 1.安装置:按右图所示装置把打点计时器安装 .安装置: 在铁架台上, 在铁架台上,用导线把打点计时器与学生电源 连接好. 连接好. 把纸带的一端在重锤上有夹子固定好, 把纸带的一端在重锤上有夹子固定好,另一端 穿过计时器_________, 穿过计时器 限位孔 ,用手竖直提起纸带使重 锤停靠在______________附近. 锤停靠在 打点计时器 附近. 附近

2.打纸带:接通电源,松开纸带,让重锤 .打纸带:接通电源,松开纸带, 自由下落.重复几次,得到3~5条好打点 自由下落.重复几次,得到 ~ 条好打点 的纸带. 的纸带. 3.选纸带:在打好点的纸带中挑选点迹清 .选纸带: 晰的一条纸带. 晰的一条纸带.

4.数据处理:在纸带起始点标上0,以后各 .数据处理:在纸带起始点标上 , 依次标上1,2,3,…,用刻度尺测出对应下落 依次标上 , , 高度d1、d2、d3…. 高度 应用公式v 应用公式 n=(dn+1-dn-1)/(2T)计算各点对应 计算各点对应 + - 在的瞬时速度v 在的瞬时速度 1、v2、v3…. 5.验证 . 利用起始点和第n点计算 点计算: 方法一 利用起始点和第 点计算:计算各点 对应的势能减少量mghn和动能的增加量 , 和动能的增加量mv, 对应的势能减少量 分别进行比较. 分别进行比较.

方法二

1 2 任取纸带上两点由 mg?h 和 mv2 2

1 2 进行比较. - mv1进行比较. 2

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

2.因不需要知道动能和势能的具体数值 , . 因不需要知道动能和势能的具体数值, 所以不需要测量重锤的质量. 所以不需要测量重锤的质量 . 只要验证了 1 2 ghn 是否等于 vn, 就验证了 mghn 是否等于 2 1 2 mvn.故重锤的质量 m 不是必须要测量的 故重锤的质量 2 物理量. 当然, 物理量. 当然, 也可以测出重锤的质量 m, , 1 2 的值,进行比较. 具体算出 mghn 和 mvn的值,进行比较. 2

二、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(空气阻力 打点计时器阻力) 空气阻力、 克服各种阻力 空气阻力、打点计时器阻力 做功,故动能的增加量?E 做功,故动能的增加量 k稍小于重力势能 的减少量?E 的减少量 p,即?Ek<?Ep,这属于系统误 改进的办法是调整器材的安装, 差.改进的办法是调整器材的安装,尽可能 地减小阻力. 地减小阻力.

2.本实验的另一个误差来源于长度的测量, .本实验的另一个误差来源于长度的测量, 属偶然误差. 属偶然误差.减小误差的办法是测下落距离 时都从0点量起,一次将各打点对应的下落高 时都从 点量起, 点量起 度测量完. 度测量完.或者多次测量取平均值来减小误 差.

一、对实验仪器及操作过程的考查 验证机械能守恒定律” 在“验证机械能守恒定律”的实验 中 (1)从下列器材中选出实验所必须的,其编 从下列器材中选出实验所必须的, 从下列器材中选出实验所必须的 号为________. 号为 . A.打点计时器 包括纸带 B.重物 C. 包括纸带) .打点计时器(包括纸带 . . 天平 D.毫米刻度尺 . E.秒表 F.运动小车 . .

(2)打点计时器的安装放置要求为 打点计时器的安装放置要求为________; 打点计时器的安装放置要求为 ; 开始打点计时的时候,应先________,然后 开始打点计时的时候,应先 , ____________. . (3)实验中产生系统误差的原因主要是 实验中产生系统误差的原因主要是 ______________,使重物获得的动能往往 , ______________.为减小误差,悬挂在纸带下 .为减小误差, 的重物应选择____________. 的重物应选择 . (4)如果以为纵轴,以h为横轴,根据实验数据 如果以为纵轴, 为横轴, 如果以为纵轴 为横轴 绘出的- 图线是 图线是______________________, 绘出的-h图线是 , 该线的斜率等于__________________. 该线的斜率等于 .

解析】 【解析】

(1)选出的器材有:打点计时器 选出的器材有: 选出的器材有

(包括纸带 ,重物,毫米刻度尺,编号分别 包括纸带),重物,毫米刻度尺, 包括纸带 1 2 为:A、B、D.注意因 mgh= mv ,而 m 、 、 注意因 = 2 可约去,不需要用天平. 可约去,不需要用天平.

(2)打点计时器安装时,底板要竖直,这样才能 打点计时器安装时,底板要竖直, 打点计时器安装时 使重物在自由落下时,受到的阻力较小, 使重物在自由落下时,受到的阻力较小,开始 记录时,应先给打点计时器通电打点,然后再 记录时,应先给打点计时器通电打点, 放下重物,让它带着纸带一同落下. 放下重物,让它带着纸带一同落下. (3)产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计 产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计 时器时的摩擦阻力, 时器时的摩擦阻力,使得重物获得的动能小于 它所减少的重力势能.为减小误差, 它所减少的重力势能.为减小误差,重物的质 量应选大一些的. 量应选大一些的.

v2 (4)描绘出来的 -h 图线是一条通过坐标原 描绘出来的 2 点的倾斜直线,它的斜率即为重力加速度. 点的倾斜直线,它的斜率即为重力加速度.

【答案】 (1)ABD (2)底板要竖直 接通 答案】 底板要竖直 电源 释放重物 (3)纸带所受的摩擦力 小于重力势能的减 纸带所受的摩擦力 小量 质量大的 (4)通过坐标原点的倾斜直线 重力加速度 通过坐标原点的倾斜直线

二、根据其他运动验证机械能守恒 某实验小组利用如下图甲所示的实 验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械 能守恒. 能守恒.

(1)实验前需要调整气垫导轨底座使之水 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 经放大后的 ,游标卡尺测 如图乙所示(经放大后的 如图乙所示 经放大后的), 得遮光条的宽度d= 得遮光条的宽度 =________cm;实验时将 ; 滑块从图示位置由静止释放, 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?t= 器读出遮光条通过光电门的时间 = 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 速度为 在本次实验中还需要测 量的物理量有:钩码的质量m、 量的物理量有:钩码的质量 、________和 和 ________(文字说明并用相应的字母表示 . 文字说明并用相应的字母表示). 文字说明并用相应的字母表示

(3)本实验通过比较 本实验通过比较________和________在 本实验通过比较 和 在 实验误差允许的范围内是否相等(用测量的 实验误差允许的范围内是否相等 用测量的 物理量符号表示), 物理量符号表示),从而验证系统的机械能 守恒. 守恒.

解析】 【解析】

本题以创新的物理情景来考查验证

机械能守恒定律的实验, 机械能守恒定律的实验,同时考查游标卡尺的 读数, 读数,游标尺的读数为 d=5 mm+0.1 mm×2 = + × =5.2 mm=0.52 cm;滑块通过光电门时的瞬时 = ; 0.52×10-2 × d m/s=0.43 m/s; 速度为 v= = = = ; 系统 ?t 1.2×10-2 × 重力势能的减少量为 mgs,系统动能的增加量 , ?d? 1 1 2 为 (m+M)v = (m+M)??t?2. + + ? ? 2 2 ? ?


接通气源, 【答案】 (1)接通气源,将滑块静置于气 答案】 接通气源 垫导轨上,若滑块基本保持静止,则说明 垫导轨上,若滑块基本保持静止, 导轨是水平的(或取下钩码 轻推滑块, 或取下钩码, 导轨是水平的 或取下钩码,轻推滑块,滑 块基本能做匀速直线运动). 块基本能做匀速直线运动 . (2)0.52 0.43 滑块上的遮光条初始位置到 光电门的距离s 滑块的质量M 光电门的距离 滑块的质量
(3)mgs
?d? 1 (m+M)??t?2 + ? ? 2 ? ?

命题研究 (2008年高考全国卷Ⅰ)如右图所示 年高考全国卷Ⅰ 年高考全国卷 如右图所示 两个质量各为m 的小物块A ,两个质量各为 1和m2的小物块 和B,分别系在一条跨过定滑轮的 , 软绳两端,已知m 软绳两端,已知 1>m2.现要利用此 现要利用此 装置验证机械能守恒定律. 装置验证机械能守恒定律. (1)若选定物块 从静止开始下落的 若选定物块A从静止开始下落的 若选定物块 过程进行测量, 过程进行测量,则需要测量的物理 量有________.(在横线上填入选 量有 . 在横线上填入选 项前的编号) 项前的编号

①物块的质量m1、m2; 物块的质量 物块A下落的距离及下落这段距离所用的 ②物块 下落的距离及下落这段距离所用的 时间; 时间; 物块B上升的距离及上升这段距离所用的 ③物块 上升的距离及上升这段距离所用的 时间; 时间; 绳子的长度. ④绳子的长度.

(2)为提高实验结果的准确程度,某小组同学 为提高实验结果的准确程度, 为提高实验结果的准确程度 对此实验提出以下建议: 对此实验提出以下建议: 绳的质量要轻; ①绳的质量要轻; 轻质绳”的前提下,绳子越长越好; ②在“轻质绳”的前提下,绳子越长越好; 尽量保证物块只沿竖直方向运动, ③尽量保证物块只沿竖直方向运动,不要摇 晃; 两个物块的质量之差要尽可能小. ④两个物块的质量之差要尽可能小. 以上建议中确实对提高准确程度有作用的是 ________.(在横线上填入选项前的编号 在横线上填入选项前的编号) . 在横线上填入选项前的编号

(3)写出一条上面没有提到的对提高实验结 写出一条上面没有提到的对提高实验结 果准确程度有益的建议: 果准确程度有益的建议: _____________________________________ ___________________________________.
解析】 【解析】 (1)本实验需要验证系统重力势能 本实验需要验证系统重力势能 的减少量 ?Ep=(m1-m2)gh 与系统动能的增 v 1 2 是否相等, = , 加量 ?Ek= (m1+m2)v 是否相等, h= t, 而 2 2 2(m1+m2)h2 2h 所以 v= t ,即(m1-m2)gh= = = , t2 此选①② ①③. ①②或 因此选①②或①③

(2)本实验验证的是 、B系统的机械能守恒, 本实验验证的是A、 系统的机械能守恒 系统的机械能守恒, 本实验验证的是 忽略了绳的质量,所以,绳的质量要轻, 忽略了绳的质量,所以,绳的质量要轻,① 轻质绳”的前提下, 对;在“轻质绳”的前提下,为尽可能减少 实验误差,绳子应尽可能长些, 实验误差,绳子应尽可能长些,但并不是越 长越好,②错;本题所求的速度是竖直方向 长越好, 的速度,所以③ 的速度,所以③对;为减小物体运动过程中 摩擦阻力的影响, 摩擦阻力的影响,两物块的质量之差要尽可 能大些, 故选①③ ①③. 能大些,④错,故选①③ (3)见答案. 见答案. 见答案

①②或 【答案】 (1)①②或①③ (2)①③ (3)例 答案】 ①② ①③ 例 如:“对同一高度进行多次测量取平均值 选取受力后相对伸长尽量小的绳” ”;“选取受力后相对伸长尽量小的绳” 等等 验证机械能守恒定律实验的核心, 验证机械能守恒定律实验的核心,是验证 系统重力势能的减少量|?Ep|与系统动能的 系统重力势能的减少量 与系统动能的 增加量?E 相等, 增加量 k相等,

验证机械能守恒定律实验的核心, 验证机械能守恒定律实验的核心,是验证系统 重力势能的减少量 重力势能的减少 量 |?Ep|与系统动能的增加量 与系统动能的增加量 ?Ek 相等,实验中需要解的问题是:如何测量 相等,实验中需要解的问题是: |?Ep|和 ?Ek,本实验创新的一点在于利用公式 和 2h v= ,通过测量时间 t 和对应 t 物体上升 或 物体上升(或 = t 下降)的高度 下降 的高度 h 计算 v, , 创新型实验题解题的关 键在于深刻理解实验的原理. 键在于深刻理解实验的原理.

(2008年高考江苏单科 某同学利用如右图所示 年高考江苏单科)某同学利用如右图所示 年高考江苏单科 的实验装置验证机械能守恒定律. 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 端水平,离地面的高度为 将钢球从轨道的不 同高度h处静止释放 处静止释放, 同高度 处静止释放,钢球的落点距轨道末端 的水平距离为s. 的水平距离为 (1)若轨道完全光滑,s2与h的理论关系应满足 若轨道完全光滑, 若轨道完全光滑 的理论关系应满足 s2=________(用H、h表示 . 表示). 用 、 表示

(2)该同学经实验测量得到一组数据,如下 该同学经实验测量得到一组数据, 该同学经实验测量得到一组数据 表所示: 表所示: h(10- 1m) s2(10- 1m2) 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 2.62 3.89 5.20 6.53 7.78

请在坐标纸上作出 s2-h 关系图. 关系图.

(3)对比实验结果与理论计算得到的 2-h关 对比实验结果与理论计算得到的s 对比实验结果与理论计算得到的 关 系图线(图中已画出 图中已画出), 系图线 图中已画出 ,自同一高度静止释放 的钢球,水平抛出的速率________(填“小 的钢球,水平抛出的速率 填 大于” 理论值 理论值. 于”或“大于”)理论值. (4)从s2-h关系图线中分析得出钢球水平抛 从 关系图线中分析得出钢球水平抛 出的速率差十分显著, 出的速率差十分显著,你认为造成上述偏 差的可能原因是________. 差的可能原因是 .

解析】 【解析】 (1)设钢球从轨道末端抛出的速度为 设钢球从轨道末端抛出的速度为 1 2 1 2 v0 , 则有 mgh= mv0, = 在平抛过程中有 H= gt = 2 2 s=v0t,由以上三式可解得 s2=4Hh. = , (2)见答案. 见答案. 见答案 (3)由图像可见,对应同一个 h 值,s 测<s 理,由 由图像可见, 由图像可见 s v0= ,可知 v0 测<v0 理. t (4)见答案. 见答案. 见答案

【答案】 (1)4Hh 答案】 (2)

(3)小于 (4)摩擦,转动 回答任一即可 小于 摩擦, 回答任一即可) 摩擦 转动(回答任一即可

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