2020届高三物理一轮复习 实验验证机械能守恒定律(2)导学案

2020届高三物理一轮复习导学案
六、机械能（6）
实验：验证机械能守恒定律
【实验目的】
1．通过实验，验证机械能守恒定律．
2．学习利用图象法处理实验数据．
【实验原理】
只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能可以互相转化，但总的机械能守恒，利用打点计时器在纸带上记录下物体自由下落的高度h及计算出的瞬时速度v，从而验证物体在自由下落过程中，重力势能的减少量△P= mgh与物体动能的增加量△E
=mv2/2相等.
k
思考：实验时不慎将一条选择好的纸带的前面一部分损坏了，能否用来验证机械能守恒定律？
【实验步骤】
1．把打点计时器按图安装在铁架台上，用导线将打点计时器与学生电源连接好．
2．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附近．
3．先接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点．
4．取下纸带，换上新的纸带重打几条（3-5条）．
5．从打出的各纸带中挑出一条点迹清晰且第1，2两打点间距离接近2 mm的纸带，在第一个打点上标出O，并从稍靠后的某一点开始，依次标出
1,2,3,……并量出各点到位置O的距离h
1 ,h
2
,h
3
,……并记人表格中，
6．用公式v
n =v
中
计算各点对应的瞬时速度v
1
, v
2
, v
3
, v
4
……，并记录在表格中．
7．计算打各点时重力势能的减少量mgh和动能的增加量mv2/2并进行比较，看是否相等，将计算数值代人表格中．
【典型剖析】
[例1] 某研究性学习小组用如图（a）所示装置验证机械能守恒定律．让一个摆球由静止开始从A位置摆到B位置，若不考虑空气阻力，小球的机械能应该守恒，即mv2/2 = mgh．直接测量摆球到达B点的速度v比较困难．现让小球在B点处脱离悬线做平抛运动，利用平抛的特性来间接地测出v．
如图（a）中，悬点正下方P点处放有水平放置炽热的电热丝，当悬线摆至电热丝处时能轻易被烧断，小球由于惯性向前飞出作平抛运动．在地面上放上白纸，上面覆盖着复写纸，当小球落在复写纸上时，会在下面白纸上留下痕迹．用重锤线确定出A、B点的投影点N、M．重复实验10次（小球每一次都从同一点由静止释放），球的落点痕迹如图（b）所示，图中米尺水平放置，零刻度线与M点对齐．用米尺量
出AN的高度h
1、BM的高度h
2
，算出A、B两点的竖直距离，再量出M、C之间的距
离x，即可验证机械能守恒定律．已知重力加速度为g，小球的质量为m．
（1）根据图（b）可以确定小球平抛时的水平射程为 cm．
（2）用题中所给字母表示出小球平抛时的初速度v
= ．
（3）用测出的物理量表示出小球从A到B过程中，重力势能的减少量ΔE
P
= ，动能的增加量ΔE
K
= ．
[例2]（南京市09届高三联考）在验证机械能守恒定律实验中．重锤从高处由静止开始落下，重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．
（1）下面列举了该实验的几个操作步骤：
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端上；
C．用天平测量出重锤的质量；
D．先松手释放纸带，再接通电源打出纸带，
E．选择合适的纸带，测量打出的纸带上某些点之间的距离；
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增加的动能．上述操作中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤是．（填序号）
（2）若实验中所用重锤质量m=1．00kg，打点纸带如下图所示，打点时间间隔为0．02s，从O点开始下落起至B点，重锤的重力势能减小量是︱△Ep︱= J，重
锤的动能增加量︱△E
KB ︱= J．（g=9．8m／s2，结果取
．．．3位有效数字
．．．．．），（O
点为开始下落点，O点与A点间其他点未画出）实验结论是。

[例3] （2020·海南物理·14）利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图1所示：
（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lm ，将导轨调至水平；
②用游标卡尺测量挡光条的宽度l，结果如图2所示，由此读出l=________mm；
③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s=__________m；
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1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△t
1和△t
2
；
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v
1=__________和v
2
=________。

②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总
动能分别为E
k1=___________和E
k2
=__________。

③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少△E
p
=__________
（3）如果△E
p
=______________，则可认为验证了机械能守恒定律。

【训练设计】
1、（2020·新课标·22）如图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图.现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平.回答下列问题（1）为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有______.
A、米尺
B、秒表
C、0～12V的直流电源
D、0～12V的交流电源
（2）实验中误差产生的原因有__________________________.(写出两个原因) 2、（2020四川卷）22.（2）有4条用打点计时器（所用交流电频率为50Hz）打出的纸带A、B、C、D，其中一条是做“验证机械能守恒定律”实验时打出的。

为找出该纸带，某同学在每条纸带上取了点迹清晰的、连续的4个点，用刻度尺测出相邻两
个点间距离依次为S
1、S
2
、S
3。

请你根据下列S
1
、S
2
、S
3
的测量结果确定该纸带
为。

（已知当地的重力加速度为9.791m/s2）
A．61.0mm 65.8mm 70.7mm B． 41.2mm 45.1mm 53.0mm
C．49.6mm 53.5mm 57.3mm D． 60.5mm 61.0mm 60.6mm
3、（南通市2020届高三第三次调研测试）某实验小组利用如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．
（1）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，用游标卡尺测得遮光条的宽度d= cm；实验时将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Δt=1.2×10-2s，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量的物理量有：钩码的质量m、和（文字说明并用相应的字母表示）．（3）本实验通过比较和在实验误差允许的范围内相等（用测量的物理量符号表示），从而验证了系统的机械能守恒．
4、（2020安徽卷）进行验证机械能守恒定律的试验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h。

某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案。

a.用刻度尺测出物体下落的高度h，下落时间t,通过v gt
计算出瞬时速度
v.
b.用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过v .
c.根据做匀速直线运动时纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度，并通过计算出高度h.
d.用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀速直线运动时纸带
上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度
v。

以上方案中只有一种正确，正确的是。

（填入相应的字母）。