高考物理一轮复习第5单元机械能实验六验证机械能守恒定律课件

V.

(2)若x2=4.80 cm,则在纸带上打下计数点B时的

速度vB=

m/s(结果保留三位有效数字).

(3)若x1数据也已测出,则实验还需测出的物理

量为

.

(4)经过测量计算后,某同学画出了如图S6-8所

图S6-8

示的E-h图线,则图中表示重物动能随重物高度变化的曲线为

或“图线B”).

(选填“图线A”
实验六
验证机械能守恒定律
实验溯本求源│实验热点探究│课时巩固训练│教师备用习题

实验溯本求源

一、实验目的 验证机械能守恒定律. 二、实验原理 1.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 保持不变 .若质量为m的物体做自由落体运动,下落高度为h时的速度为v,则重

力势能的减少量为

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[答案] (1)220 (2)1.20 (3)A、B之间的距离(或hAB) (4)图线B
[解析] (1)电火花计时器的工作电压是 220 V. (2)利用匀变速直线运动的推论得 vB=2���������2���=1.20 m/s. (3)要验证机械能守恒定律,则要求出重力势能的变化量,所以还要测出 A、B 之间的距离.(4)根据机械能守恒定律,重物离地越高,重力势能越大,则动能越 小,故动能随离地高度变化的曲线为图线 B.

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变式题 某学习小组用如图S6-4所示的实验装置验证“机械能守恒定律”.他们在气

垫导轨上安装了一个光电门B,细线一端连在滑块(带遮光条)上,另一端绕过气垫导

轨左端的定滑轮与钩码相连,每次滑块都从A处由静止释放.

(1)下列实验要求中不必要的一项是

(填选项前的字母).

A.应将气垫导轨调至水平

mgh

1mv2

,动能的增加量为 2

,如果在实验误差允许的范围

内重力势能的减少量与 动能的增加量 相等,则验证了机械能守恒定律.

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2.速度的测量:做匀变速直线运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间 的 平均速度 .计算打第n个点瞬时速度的方法是:测出第n个点的相邻前、后两

段相等时间T内下落的距离xn和xn+1,由公式vn=

������

2
-

������

2
.

������ ������2

������1

(3)代入数据可得重力势能的减少量为 ΔEp=mg������������������=0.2 J.

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(4)①由

v1=���������1��� ,v2=���������2��� ,可得

a=

������ ������ 2

.

(2)写出本实验验证机械能守恒定律的表达式:

(用上面测量出的物理量符号表示).

图S6-11

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(3)实验所用滑块的质量m=600 g,其他数据分别为L=1.5 m、H=10 cm、l=50 cm,则

实验中重力势能的减少量为

J.(g取10 m/s2)

(4)如果气垫导轨左端垫高H的值可调,此实验还可以探究在质量不变时,物体的加速

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[答案] (1)C B (2)1.84 (3)C
[解析] (1)应将打点计时器接到电源的“交流输出”上,选项 B 操作不当,因实验 只需比较 gh 和������2的大小关系,不需要测量质量,选项 C 没必要.
2
(2)打 B 点的速度即为 AC 段的平均速度,即 vB=���2���������������=1.84 m/s.

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D.先接通电源,后释放纸带,打出一条纸带;

E.测量纸带上某些点间的距离;

F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于其增加的动能.

其中没有必要进行的步骤是

,操作不当的步骤是

.(均填步骤前的

选项字母)

图S6-2

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(2)这位同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析,如图乙所

示,其中 O 点为起始点,A、B、C、D、E、F 为六个计数点.根据纸带上的测量数据,

可得出打 B 点时重锤的速度为

m/s(保留 3

位有效数字).

(3)他根据纸带上的数据算出各点的速度 v,量出下

落距离 h,并以������2为纵轴、h 为横轴画出的图像应是
2

图 S6-3 中的

(选填项字母).

图S6-3

2
-

������ ������ 1

2������

2
;小车所受合力为重力沿导轨方向的分力,

即 F=mgsin θ=mg������.
������

②由 F=mgsin θ=mg������������ 可知,只改变气垫导轨左端垫高的高度 H 就可改变小车

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变式题 用如图S6-9所示实验装置验证物块1、2组成的系统机 械能守恒,物块2从高处由静止开始下落,物块1上拖着的纸带打 出一系列的点,对纸带上的点进行测量,即可验证机械能守恒定 律.图S6-10给出的是实验中获取的一条纸带,其中0是打下的第 一个点,相邻两个计数点间还有4个打点(图中未标出,交流电的 频率为50 Hz),计数点间的距离如图所示.已知物块1、2的质量 分别为m1=50 g、m2=150 g, g取9.8 m/s2.

(用

M、m、g、L、d、t表示),即可验证从A到B过程中

系统机械能守恒.

图S6-5

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[答案] (1)D

(2)8.477

(3)mgL=12(M+m)

������ ������

2

[解析] (1)验证系统机械能守恒,应将气垫导轨调至水平,使细线与气垫导轨平行,

故 A、B 必要;为了减小误差,A 位置与光电门的距离适当大一些,故 C 必要;实验

中不需要满足钩码重力等于细线的拉力,则不需要使钩码质量远小于滑块和遮光

条的总质量,故 D 不必要.(2)d=8 mm+0.01 mm×47.7=8.477 mm.(3)滑块通过光电

门的瞬时速度

v=������
������

,则系统动能的增加量

ΔEk=12(M+m)v2=12(M+m)

������ ������

������1

(3)0.2

① (4)

������ ������ 2

2
-

������ ������ 1

2

2�Hale Waihona Puke Baidu����

mg������������

②气垫导轨左端垫高的高度 H 气垫导轨左端垫高的高度 H

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[解析] (1)根据 v2-������02=2ax 可知,还需测出两光电门之间的距离 l.

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热点三 同类实验拓展与创新

实验器材及 装置的替换

速度测量方 法的改进

测量纸带上各点速度→由光电门计算速度

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速度测量方法的改进

测量纸带上各点速度→由光电门计算速度

实验方案的创新 利用自由落体运动的闪光照片验证机械能守恒定律

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例3 为了验证机械能守恒定律,某学生想到用气垫导轨和光电门及质量为m的小

B.应使细线与气垫导轨平行

C.应使A位置与光电门B间的距离适

当大些 D.应使钩码质量远小于滑块和遮光条的总质量

图S6-4

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(2)用螺旋测微器测量遮光条宽度d,测量结果如图S6-5所示,则d=

mm.

(3)实验时,已知滑块(带遮光条)的质量为M,钩码质量为m,A、B间的距离为L,遮光条

的宽度为d,遮光条通过光电门的时间为t,重力加速度为g,若满足关系式

(2)重力势能的减少量为

ΔEp=mgh=mglsin

θ=mgl������,动能增加量为
������

ΔEk=12m������22 -

12m������12 =12m

������ ������2

2-1m
2

������ ������1

2
,由 ΔEp=ΔEk,整理可得需要验证的表达式为

2g������������ =
图S6-10

图S6-9

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(1)在纸带上打下计数点5时的速度v=

m/s.

(2)在打点0~5过程中系统动能的增加量ΔEk= J.可知在实验误差允许的范围内,系统的机械能

J,系统势能的减少量ΔEp= .

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[答案] (1)2.4 (2)0.576 0.588 守恒
[解析] (1)根据在匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度大小等于该过程中的 平均速度,可知打第 5 个点时的速度为 v5=���2���4���6��� =0.2126×+00.1.264 m/s=2.4 m/s. (2)两物块初速度为零,故动能的增加量为 ΔEk=12(m1+m2)������520=12×(0.05+0.15)×2.42 J=0.576 J;重力势能的减小量 ΔEp=W=(m2-m1)gh=(0.150.05)×9.8×(0.384+0.216) J=0.588 J.

2
.系统重力

势能的减小量 ΔEp=mgL,则系统机械能守恒满足的表达式为 mgL=12(M+m)

������ ������

2
.

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■ 要点总结
(1)安装打点计时器时要竖直架稳,使两限位孔在同一竖直平面内以减小摩擦阻力. (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,再松开纸带让重物下落. (4)纸带长度应选用60 cm左右为宜,应选用点迹清晰的纸带进行测量.

导线将电磁打点计时器与低压交流电源相连,此时电源开关 应为 断开 状态.

图S6-1

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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,应先 接通电源 ,待打点稳 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:用起始点初速度为零验证.选点迹清晰,且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带进行测量.若1、2两点间的距离大于2 mm,这是由于先释放纸带,后接通 电源造成的,则第1个点对应的瞬时速度 不等于 (选填“不等于”或“等于”)零. 4.数据测量 5.验证结论:在 误差允许 的范围内,重物自由下落过程中机械能守恒.

车来进行实验,如图S6-11所示,他将长为L、原来已调至水平的气垫导轨的左端垫高

H,在导轨上的两点处分别安装光电门A和B,然后将小车从导轨上端释放,光电门自

动记录小车经过上、下光电门时车上挡光片的挡光时间为t1、t2,用游标卡尺测得挡 光片宽度为d.

(1)要验证小车在运动过程中机械能守恒,还必须测

出

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■ 要点总结
速度不能用 vn=gtn 或 vn= 2������ℎ������ 计算,因为只要认为加速度为 g,机械能当然守 恒,即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律,况且用 vn=gtn 计算出的速 度比实际值大,会得出机械能增加的结论,而实际上因为受摩擦阻力的影响,机械 能应减小,所以速度应通过测量计算得到.同样的道理,重物下落的高度 h 也只能 用刻度尺直接测量,而不能用 hn=12g���������2��� 或 hn=2������������2������计算得到.

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热点一 实验原理和实验操作
例1 某同学用如图S6-2甲所示的实验装置验证机械能守恒定律.实验所用的电源 为学生电源,可以提供输出电压为6 V的交变电流和直流电,交变电流的频率为50 Hz. 重锤从高处由静止开始下落,打点计时器在纸带上打出一系列的点,对纸带上的点 测量并分析,即可验证机械能守恒定律. (1)他进行了下面几个操作步骤: A.按照图示的装置安装器材; B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上; C.用天平测出重锤的质量;

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热点二 数据处理与误差分析
例2 某同学安装如图S6-6所示的实验装置验证机械能守恒定律.如图S6-7所示是该 实验得到的一条点迹清晰 的纸带,现要取A、B两点 来验证,已知电火花计时 器每隔0.02 s打一个点.

图S6-6

图S6-7

实验热点探究

请回答下列问题:

(1)电火花计时器的工作电压是

度与合力的关系,回答下列问题:

①小车的加速度为a=

,小车所受合力为F=

.(用

上面测量出的物理量符号表示)

②要改变小车受到的合力,只需改变

;作加速度—合力图像时,横轴可

用

代替.

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[答案] (1)两光电门的间距 l

(2)2g������������ =

������

2
-

������

2

������ ������2

������������ + ������������+1 2������

计算.

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三、实验器材 铁架台(含铁夹)、 电磁打点计时器 、 低压交流 电源及导线(使用电火 花计时器时用220 V交流电源)、纸带、复写纸片、毫米刻度尺、

重物(带纸带夹),实验装置如图S6-1所示.

四、实验步骤

1.器材安装:如图S6-1所示,将打点计时器固定在铁架台上,用