2020年高考物理总复习 第23讲 实验五 验证机械能守恒定律讲义

第23讲 实验五：验证机械能守恒定律

实验储备一、实验目的

验证机械能守恒定律．

二、实验原理 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．

三、实验器材

打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(附铁夹)、导线两根． 四、实验步骤

1．根据实验原理图安装仪器．

2．将纸带固定在重物上，让纸带穿过打点计时器的限位孔．

3．用手提着纸带，让重物靠近打点计时器并处于静止状态，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．

4．从几条打下点的纸带中挑选出点迹清晰的纸带进行测量，ΔE k ＝12

mv 2

n ，ΔE p ＝mgd n ，

v n ＝d n ＋1－d n －1

2T

.

5．计算对比ΔE p 与ΔE k . 五、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． 六、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，一次将各打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ΔE k ＝12mv 2

n

必定稍小于重力势能的减少量ΔE p ＝mgd n ，改进办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力．

七、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：某时刻的瞬时速度的计算应用v n ＝d n ＋1－d n －1

2T ，不能用v n ＝2gd n 或

v n ＝gt 来计算．

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释难答疑的金钥匙

考点1 实验原理和实验操作

【典型例题1】(16年南京模拟)利用如图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验．

甲

(1)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的( )

A．动能变化量与势能变化量

B．速度变化量与势能变化量

C．速度变化量与高度变化量

(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是( )

A．交流电源B．刻度尺C．天平(含砝码)

(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到图2所示的一条纸带．在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为h A、h B、h C.

已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T.设重物的质量为m.从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔE p＝________，动能变化量ΔE k＝________.

乙

(4)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是( )

A．利用公式v＝gt计算重物速度

B．利用公式v＝2gh计算重物速度

C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响

D．没有采用多次实验取平均值的方法

(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒，在纸带上选取多个计数点，测量它们到

起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2­h图象，并做如下判断：若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒，请你分析论证该同学的判断是否正确的．

1.利用图甲实验装置探究重物下落过程中动能与重力势能的转化问题．

(1)实验操作步骤如下，请将步骤B补充完整：

A．按实验要求安装好实验装置；

B．使重物靠近打点计时器，接着先________________，后________________，打点计时器在纸带上打下一系列的点；

C．图乙为一条符合实验要求的纸带，O点为打点计时器打下的第一点．分别测出若干连续点A、B、C……与O点之间的距离h1、h2、h3….

甲

乙

(2)已知打点计时器的打点周期为T，重物质量为m，重力加速度为g，结合实验中所测得的h1、h2、h3，可得重物下落到B点时的速度大小为________，纸带从O点下落到B点的过程中，重物增加的动能为________，减少的重力势能为________．

(3)取打下O点时重物的重力势能为零，计算出该重物下落不同高度h时所对应的动能

E k和重力势能E p，建立坐标系，横轴表示h，纵轴表示E k和E p，根据以上数据在图丙中绘出图线Ⅰ和图线Ⅱ.已求得图线Ⅰ斜率的绝对值k1＝2.94 J/m，请计算图线Ⅱ的斜率的绝对值k2＝________J/m(保留3位有效数字)．重物和纸带下落过程中所受平均阻力与重物所受重力的比值为________(用k1和k2表示)．

(4)通过对k1和k2的比较分析，可得到的结论是(只要求写出一条)：____________________________________．

丙

考点2 数据处理与误差分析

【典型例题2】 某同学用如图甲所示装置验证机械能守恒定律时，所用交流电源的频率为50 Hz ，得到如图乙所示的纸带．选取纸带上打出的连续五个点A 、B 、C 、D 、E ，测出A 点距起点O 的距离为s 0＝19.00 cm ，点A 、C 间的距离为s 1＝8.36 cm ，点C 、E 间的距离

为s 2＝9.88 cm ，g 取9.8 m /s 2

，测得重物的质量为m ＝1 kg .

甲

(1)下列做法正确的有( )

A ．图甲中两限位孔必须在同一竖直线上

B ．实验前，手应提住纸带上端，使纸带竖直

C ．实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源

D ．数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置 (2)选取O 、C 两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是________J ，打下C 点时重物的速度大小是________m /s .(结果保留三位有效数字)

乙

(3)根据纸带算出打下各点时重物的速度v ，量出下落距离s ，则以v

2

2为纵坐标、以s 为

横坐标画出的图象应是下面的( )