高考物理 一轮复习 5.6实验六 验证机械能守恒定律

(2)在图乙所示的纸带基础上，某同学又选取了多个计 数点，并测出了各计数点到第一个点O的距离h，算出了各 计数点对应的速度v，以h为横轴，以v2/2为纵轴画出的图线 应是下列图中的________，图线的斜率表示________．
(2)在图乙所示的纸带基础上，某同学又选取了多个计 数点，并测出了各计数点到第一个点O的距离h，算出了各 计数点对应的速度v，以h为横轴，以v2/2为纵轴画出的图线 应是下列图中的________，图线的斜率表示________．
过光电门 1 时动能 Ek1＝12(M＋m)Δlt1 2，系统通过光电门 2 时动能 Ek2＝12(M＋m)Δlt2 2.末动能减初动能可得动能的增加量．
两光电门中心之间的距离s即砝码和托盘下落的高度， 系统势能的减小量ΔEp＝mgs，最后对此Ek2－Ek1与ΔEp数值 大小，在误差允许的范围内相等，就验证了机械能守恒定 律．
【答案】
(1) 接 通 电 源
放开纸带
(2)
h3－h1 2T
mh3－h12 8T2
mgh2
(3)2.80(2.73～2.87 均可)
k1－k1 k2(k1 用 mg
表示也可) (4)k2 小于 k1，动能的增量小于重力势能的减少
量．(其他结论合理的也可)
实 验 要 点 释 义 解 读
高 频 考 点 透 析 导 悟
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．重物密度要大：重物应选用质量大、体积小、 密度大的材料． 3．一先一后：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 vn＝dn＋12－Tdn－1，不能用 vn＝ 2gdn或 vn＝gt 来计算．
落 不 同 高 度 h 时 所 对 应 的 动 能 Ek 和 重 力 势 能 Ep ， 建 立 坐 标 系，横轴表示h，纵轴表示Ek和Ep，根据以上数据在下图中 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k2＝________J/m(保留三位有效 数字)．重物和纸带下落过程中所受平均阻力与重物所受重
【解析】 (1)当打点计时器打到 B 点时重锤的重力势能 比开始下落时减少了 ΔEp＝mgh2＝1.88 J．打点计时器打到 B 点时重锤的速度为 vB＝h34－Th1，因而此时重锤的动能为 ΔEk＝ 12mv2B＝1.96 J．减小的重力势能比增加的动能少的原因可能是 先释放纸带后闭合开关． (2)由(1)问知 mg(h＋Δh)＝12mv2，可得12v2＝gh＋gΔh，故图 D 正确，图线的斜率表示重力加速度 g 的实验测量值．
图2
方案 3：利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如 图 3 所示，从与光电门连接的数字计时器上读出挡光条通过光电门 1 和光电门 2 的时间 Δt1、Δt2，用天平测量出滑块和挡光条的总质量 M 及托盘和砝码的总质量 m，用游标卡尺测量出挡光条宽度 l，从导轨 标尺上读出两光电门之间的距离 L，则滑块通过光电门 1、2 时系统
【答案】 (1)③60.00(59.96～60.04)
(2)①Δlt1
l Δt2
②12(M＋m)Δlt1 2
③mgs (3)Ek2－Ek1
12(M＋m)Δlt2 2
[学以致用] 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 处安装两个光电门A、B，滑块P上固定一遮光条，在细线的 牵引下向左加速运动，遮光条经过光电门A、B时，光线被 遮光条遮挡，光电门会输出高电压，两光电门采集数据后将 数据传输到计算机．通过计算机可以得到如图乙所示的电压 随时间变化的U－t图像．
⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和 砝码的总质量m.
(1)实验步骤
①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m， 将导轨调至水平；
②用游标卡尺测量挡光条的宽度l＝9.30 mm；
③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝ ______cm；
④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时， 释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；
利用如图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．下图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…….
(1)实验步骤
①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m， 将导轨调至水平；
②用游标卡尺测量挡光条的宽度l＝9.30 mm；
③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝ ______cm；
④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时， 释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；
⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光 电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2；
【答案】 (1)1.88 1.96 先释放纸带后闭合开关
(2)D 重力加速度g的实验测量值
【总结提升】 数据处理的方法
方法一：用12mv2＝mgh 验证时，利用起始点和第 n 点计算．
方法二：用12mv2B－12mv2A＝mgΔh 验证时，任取两点计 算．
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，根据实验数据绘出12v2 －h 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．
【解析】 (1)ΔtA>ΔtB，说明滑块经过光电门A时速度 小，滑块由A到B的过程是加速运动，说明气垫导轨右侧 高，所以需要将其左侧适当垫高一些才能水平；(2)按照螺 旋测微器读数规则有d＝(8＋0.01×47.4)mm＝8.474 mm＝ 0.847 4 cm；(3)根据实验装置可知本题是验证滑块(含遮光 条)和钩码组成的系统的机械能守恒，需要准确知道滑块在 由A到B过程中钩码下降的高度，其刚好等于光电门间距； (4)根据机械能守恒定律列式．
多 维 拓 展 能 力 突 破
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第五章 机械能
题 组 演 练 综 合 提 升
新课标高考总复习·物理
(1)实验小组选出一条纸带如图乙所示，其中O点为打点 计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数点，在计数点 A和B、B和C之间还各有一个点，测得h1＝12.01 cm，h2＝ 19.15 cm，h3＝27.86 cm，打点计时器接50 Hz的交流电．根 据以上数据算出：当打点计时器打到B点时重锤的重力势能 比开始下落时减少了________J，此时重锤的动能比开始下 落时增加了________J(计算结果均保留3位有效数字)．根据 计算结果可知道该实验小组出现的问题可能是________(只 需写一个问题)．
⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光 电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2；
⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和 砝码的总质量m.
(2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表 达式
①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1＝ ________和v2＝________.
[拓展创新实验] 探究高考命题视角 以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目， 不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探索性、实验 方法的改进等特点． 视角1 实验方案的优化改进
方案 1：如图 1 所示，用光滑斜面和小车验证 机械能守恒定律，在打出的小车拖动的纸带上取 两点 A、B，求出它的速度 vA、vB，测出斜面的高 h、长 L 及 AB 之间的距离 L0.只需要验证关系式 gL0 Lh＝12v2B－12v2A成立，即可验证小车沿光滑斜面 下滑的过程中机械能是守恒的．
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)：_____________________________________
_______________________________________.
【解析】 (3)对图线Ⅰ：Ep＝－mgh，即 k1＝mg. 对图线Ⅱ：Ek＝(mg－Ff)h，即 k2＝mg－Ff，所以 Ff＝k1 －k2，mFgf ＝k1m－gk2＝k1－k1 k2.
第6单元 实验六：验证机械能守恒定律
[读一读]
误差分析 1．减小测量误差：一是测量下落距离时都从 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．误差来源：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 ΔEk＝12mv2n必定稍小于重力 势能的减少量 ΔEp＝mghn，改进办法是调整器材的安 装，尽可能地减小阻力．
图1
方案 2：如图 2 所示，用斜槽金属球等验证钢球从 斜槽滚下过程中的机械能守恒，让钢球从斜槽某高度处 同一点 A 从静止开始释放钢球多次，找出平均落地点 P，测量 A 点到桌面的高度 h1，出口到 O 点的高度 h2， O 点到 P 点距离 s.由平抛知识，s＝v0t，h2＝12gt2，得平
抛速度 v0＝s 2gh2，以桌面为零势能面，则 A 点的重 力势能 Ep＝mgh1，抛出点的动能 Ek＝12mv20.若 EP＝Ek， 得 h1＝s2/4h2.即只要 h1＝s2/4h2，机械能守恒．
【解析】 由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离 s＝80.30 cm－20.30 cm＝60.00 cm. 由于挡光条宽度很小，因此将挡光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ通过光电门时的平均速度 看做瞬时速度，挡光条的宽度 l 可用游标卡尺测量，挡光时间 Δt 可从数字计时器读出，因此，滑块通过光电门的瞬时速度为Δlt，则