2021届高考物理一轮复习-专题五 实验六 验证机械能守恒定律 (共35张PPT)

律.
2.实验目的的创新 实验验证向心力公式 Fn＝mvR2的正确性.
3.本实验还可以从以下两个方面创新 (1)利用气垫导轨验证. (2)利用牛顿管和频闪照相机进行验证.
【考点练透】 2.(2016 年新课标Ⅱ卷)某物理小组对轻弹簧的弹性势能进 行探究，实验装置如图 S6-8 所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面 上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打 点计时器并与物块连接.向左推物块使弹簧压缩一段距离，由静 止释放物块，通过测量和计算，可求得弹簧被压缩后的弹性势 能.
3.(2019 年汕头模拟)物理探究小组要验证机械能守恒定律， 采用如图 S6-10 甲装置原理，实验器材为：铁架台，约 50 cm 不可伸长的细线，带小孔的小铁球，光电门和数据采集器(连接 光电门和计算机可以记录挡光的时间)，量角器，刻度尺，游标 卡尺，计算机.实验前小组成员先查阅资料得到当地的重力加速 度为 g，再将细线穿过小铁球，悬挂在铁架台的横杆上，在小 球轨迹的最低点安装好光电门，测量摆线的长度 l，摆球的直径 d，再将小球拉至某高处，在摆线伸直时测量摆线偏离竖直方向 的夹角θ，然后静止释放小球，记录摆球通过光电门的时间 t.
图 S6-6 (3)本次测量的百分比误差(即相对误差)表达式为________ ×100%.(用ΔEk、ΔEp 表示) 答案：(2)mg(x2＋x3＋x4) 12mx44＋Tx52－x14＋Tx22 (3)ΔEpΔ－EpΔEk或ΔEpΔ－EkΔEk
考点 2 实验的改进与创新 ⊙重点归纳 1.实验器材的改进 (1)由系统动能、重力势能的变化验证机械能守恒，所用实 验器材：光电门、气垫导轨. (2)通过小球自由落体运动的频闪照片验证机械能守恒. 2.实验原理的迁移 由单一物体的机械能守恒迁移至多物体机械能守恒的验 证.
考点 1 实验的步骤和数据 ⊙重点归纳 1.实验原理的理解：三种验证方案 (1)利用起始点和第 n 点计算.
①测出第 n 点到起始点的距离 hn，算出 ghn. ②计算出12v2n的值. ③如果在实验误差允许的条件下 ghn＝12v2n，则验证了机械 能守恒定律是正确的.
(2)任取两点计算. ①任取两点 A、B 测出 hAB，算出 ghAB. ②计算出12v2B－12v2A的值. ③若在实验误差允许的条件下 ghAB＝12v2B－12v2A，则验证了 机械能守恒定律是正确的.
测定第 n 点的瞬时速度的方法：测出第 n 点相邻的前后两 段相等时间 T 内下落的距离 sn 和 sn＋1，然后由公式 vn＝sn＋2Tsn＋1 或 vn＝dn＋12－Tdn－1算出(如图 S6-1 所示).
实验器材
图 S6-1
铁架台(带铁夹)，打点计时器，重锤(带纸带夹子)，纸带
几条，复写纸片，导线，刻度尺，学生电源.
4.(2019 年安徽皖北协作区模拟)为了验证机械能守恒定律， 某同学设计了一个实验，装置如图 S6-11 甲所示，物块 A 的质 量为 m1，物块 B 和遮光片的总质量为 m2，用通过定滑轮的轻 细线连接，m1＜m2，开始用于托着 B 静止，细线伸直.此时遮光 片到光电门的距离为 H，然后释放物块 B，当遮光片通过光电 门时，光电门记录的遮光时间是 t＝2.11×10－3 s.已知遮光片的 宽度为 d，且 d≪H，在测遮光片的宽度 d 时，使用 20 分度的 游标卡尺来测量，准确操作后，部分刻线如图乙所示，重力加 速度为 g.
图 S6-9
解析：(1)根据该实验操作过程，正确步骤应为④①③②.
(2)
物ห้องสมุดไป่ตู้
块
脱
离
弹簧
时
速
度
最
大
，
v
＝
Δx Δt
＝
2.58×10－2 0.02
m/s＝
1.29 m/s；由动能定理得 ΔEp＝12mv2，据纸带中打点的疏密知 M
纸带获得的速度较大，对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能
较大.
答案：(1)④①③② (2)1.29 M
(2)利用纸带数据，根据 mgh＝12mv2 即可验证机械能守恒定 律.要从纸带上测出重物下落的高度并计算出对应的速度，选项 A、D 的条件中，下落高度与所能计算的速度不对应；选项 B 的条件符合要求，可以取重物下落 OC 时处理；选项 C 中，可 以求出 C、F 点的瞬时速度，又知 CF 间的距离，可以利用12mv22 －12mv21＝mgΔh 验证机械能守恒定律.故 B、C 正确.
图 S6-4
A.OA、AD 和 EG 的长度 B.OC、BC 和 CD 的长度
C.BD、CF 和 EG 的长度
D.AC、BD 和 EG 的长度
解析：(1)重物选用质量和密度较大的金属锤，能够减小空 气阻力的影响，以减小误差，故 A 正确；两限位孔在同一竖直 面内上下对正，减小纸带和打点计时器之间的阻力，以减小误 差，故 B 正确；验证机械能守恒定律的原理是：mgh＝12mv22－ 12mv21，重物质量可以消掉，无须精确测量出重物的质量，故 C 错误；用手托稳重物，接通电源后，撒手释放重物对减小实验 误差无影响，故 D 错误.
⊙典例剖析 例 2：如图 S6-7 甲所示是验证机械能守恒定律的实验.小圆 柱由一根不可伸长的轻绳拴住，轻绳另一端固定.将轻绳拉至水 平后由静止释放.在最低点附近放置一组光电门，测出小圆柱运 动到最低点的挡光时间Δt，再用游标卡尺测出小圆柱的直径 d， 如图乙所示，重力加速度为 g.则：
甲
乙
图 S6-7
(1)小圆柱的直径 d＝________cm. (2)测出悬点到圆柱重心的距离 l，若等式 gl＝________成 立，说明小圆柱下摆过程机械能守恒. (3)若在悬点 O 安装一个拉力传感器，测出绳子上的拉力 F， 则要验证小圆柱在最低点的向心力公式还需要测量的物理量是 ____________(用文字和字母表示)，若等式 F＝__________成 立，则可验证向心力公式 Fn＝mvR2.
图 S6-8
(1)实验中涉及下列操作步骤： ①把纸带向左拉直 ②松手释放物块 ③接通打点计时器电源 ④向左推物块使弹簧压缩，并测量弹簧压缩量 上述步骤正确的操作顺序是________(填入代表步骤的序 号).
(2)图 S6-9 中 M 和 L 纸带是分别把弹簧压缩到不同位置后 所得到的实际打点结果.打点计时器所用交流电的频率为 50 Hz. 由 M 纸带所给的数据，可求出在该纸带对应的实验中物块脱离 弹簧时的速度为________m/s. 比较两纸带可知，________( 填 “M”或“L”)纸带对应的实验中弹簧被压缩后的弹性势能大.
实验过程 实验步骤 (1)按如图 S6-2 所示把打点计时器安装在铁架台上，用导
线把___打__点__计__时__器___与___学__生__电__源___连接好.
图 S6-2
(2)把纸带的一端用夹子固定在重锤上，另一端穿过打点计 时器的___限__位__孔_，用手竖直提起纸带使重锤停靠在__打__点__计__时__器_ 附近.
F＝mg＋m
d2 成立，则可验证向心 lΔt2
力公式，可知需要测量小圆柱的质量 m.
答案：(1)1.02 mg＋mlΔd2t2
(2)12Δdt2
(3)小圆柱的质量 m
题后反思：
1.实验器材的创新
(1)利用光电门测出小圆柱通过光电门的时间 Δt，利用 v＝
Δdt求得小圆柱经过光电门的速度.
(2)利用不可伸长的轻绳拴一小圆柱来验证机械能守恒定
实验六 验证机械能守恒定律
实验准备 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，若物体某时刻速度
为 v，下落高度为 h，恒有 mgh＝12mv2. 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_，即可验证机械能是 否守恒.
(5)选用纸带时尽量挑选第 1、2 点间距离接近 2 mm 的纸带. (6)测量下落高度时，都必须从起始点算起.只进行一次零刻 度对齐，读出各点高度，减小测量的相对误差，选取的各个计 数点要离起始点较远，但纸带也不宜过长，有效长度可在 60～ 80 cm 内. (7)实验中，只要验证 gh 是否等于v22即可，不用测量重锤的
解析：(1)小圆柱的直径 d＝10 mm＋2×0.1 mm＝10.2 mm
＝1.02 cm.
(2)根据机械能守恒定律得 mgl＝12mv2，所以只需验证 gl＝
12v2＝12
d Δt
2，就说明小圆柱下摆过程中机械能守恒.
(3)若测量出小圆柱的质量 m，则在最低点由牛顿第二定律
得
F－mg＝mv2，若等式 l
甲
乙
图 S6-10 (1)用 50 分度游标卡尺测量小球直径，刻度线如图乙(中间
若干刻度线未画出)，则 d＝________cm. (3)若实验数据在误差允许范围内满足12v2＝________，则可
得到摆球机械能守恒的结论.
答案：(1)2.068 (2)dt (3) gl＋d2(1－cos θ)
(2)该同学选取的纸带如下图 S6-6 所示，在纸带上间距较大 处开始每两个间隔取一个计数点，标记为 1、2、3、4、5、6， 测出相邻两个计数点的间距，分别表示为 x1、x2、x3、x4、x5. 已知重物质量为 m，当地重力加速度为 g，计时器打点周期为 T. 为了验证此实验从打计数点 2 到打计数点 5 的过程中机械能守 恒，需要计算出此过程中重物重力势能的减少量ΔEp 和动能的 增加量ΔEk，则ΔEp＝________________，ΔEk＝______________.
(7) 计算各点对应的重力势能的减少量____m_g_h_n___ 和动能 增加量___12_m__v_2n _，并进行比较.
实验结论 做自由落体运动的物体机械能守恒或仅在重力作用下物 体机械能守恒.