2021年导与练高中物理复习课件第五章 机械能实验六 验证机械能守恒定律

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Δ
Ek=
1 2
m
vn 2
必定稍小于重力势能的减少量ΔEp=mghn,改进办法是器材的安装,尽可
能地减小阻力.
物理
分类研析 拓展提升
类型一 常规实验 [例1] (2019·安徽定远重点高中期末)利用如图(甲)所示的装置做“验证 机械能守恒定律”的实验.
③测出挡光片的宽度d,计算有关物理量,验证机械能守恒定律.
(2)如果系统(重物A,B以及物块C)的机械能守恒,应满足的关系式为
(已知重力加速度为g).
(3)引起该实验系统误差的原因可能是
(写一条即可).
物理
解析:(1)①需要测量系统重力势能的变化量,则应该测量出挡光片中心到光电门
L
物理
答案:(1)B (2)1.50(1.49～1.51 都算对) 1.50(1.49～1.51 都算对) (3)见解析 (4)分别测出光电门和球心到悬点的长度 L 和 l,计算 ΔEk 时,将 v 折算成钢球的速 度 v′= l v.
L
物理
[例4] (2019·山东济宁期中)如图(甲)所示的装置叫做阿特伍德机,是英国 数学家和物理学家阿特伍德创制的一种著名力学实验装置,用来研究匀 变速直线运动的规律.某同学对该装置加以改进后用来验证机械能守恒 定律,如图(乙)所示.
点的过程中,重锤重力势能的减少量ΔEp=
,动能的增加量
ΔEk=
.
物理
(3)在实验过程中,下列实验操作和数据处理正确的是 . A.释放重锤前,使纸带保持竖直且重锤靠近打点计时器 B.做实验时,先接通打点计时器的电源,再释放重锤 C.为测量打点计时器打下某点时重锤的速度 v,可测量该点到 O 点的距离 h,再根 据公式 v= 2gh 计算,其中 g 应取当地的重力加速度 D.用刻度尺测量某点到 O 点的距离 h,利用公式 Ep=mgh 计算重力势能的减少量, 其中 g 应取当地的重力加速度
而 a= s3 s1 f 2 ,
2
由此得 0.99g= s3 s1 f 2 ,
2
即 f= 2 0.99 9.80 Hz=40 Hz. 10.10 8.89 102
答案:(1) s1 s2 f
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
s2 s3 f
2
s3 s1 f 2
2
(2)40
物理
题组训练 1.(2019·内蒙古集宁一中高三月考)某同学利用竖直上抛小球的频闪照 片验证机械能守恒定律.已知频闪仪每隔0.05 s闪光一次,图中所标数据 为实际距离,该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表(当地重力加 速度取9.8 m/s2,小球质量m=0.200 kg,结果保留三位有效数字).
C.钢球在A点时的底端
物理
(2)用
ΔEk=
1 2
mv2
计算钢球动能变化的大小,用刻度尺测量遮光条宽度,示数如图
(乙)所示,其读数为
cm.某次测量中,计时器的示数为 0.010 0 s,则钢球的
速度为 v=
m/s.
物理
(3)下表为该同学的实验结果: ΔEp(×10-2 J) 4.892 9.786 14.69 19.59 29.38 ΔEk(×10-2 J) 5.04 10.1 15.1 20.0 29.8
2
1.2
即 g =4.85,则 g=9.70 m/s2.
2
答案:(1)2.40 (2)0.576 0.588 (3)9.70
物理
类型二 创新实验 [例 3] (2016·江苏卷,11)某同学用如图(甲)所示的装置验证机械能守恒定律.一根 细线系住钢球,悬挂在铁架台上,钢球静止于 A 点,光电门固定在 A 的正下方.在钢 球底部竖直地粘住一片宽度为 d 的遮光条.将钢球拉至不同位置由静止释放,遮光 条经过光电门的挡光时间 t 可由计时器测出,取 v= d 作为钢球经过 A 点时的速度.
t
记录钢球每次下落的高度 h 和计时器示数 t,计算并比较钢球在释放点和 A 点之 间的势能变化大小 ΔEp 与动能变化大小 ΔEk,就能验证机械能是否守恒.
物理
(1)用ΔEp=mgh计算钢球重力势能变化的大小,式中钢球下落高度h应测
量释放时的钢球球心到
之间的竖直距离.
A.钢球在A点时的顶端
B.钢球在A点时的球心
能为
ΔEk=
1 2
m(
v22
-
v5 2
)=
1 2
×0.200×[(5.59)2-(4.08)2]J≈1.46
J.即在误差允许的范围内
机械能守恒.
答案:(1)4.08 (2)1.42 1.46 守恒
物理
2.(2019·山东枣庄八中测试)用如图1所示实验装置验证m1,m2组成的系 统机械能守恒.m2从高处由静止开始下落,m1上拖着的纸带打出一系列 的点,对纸带上的点迹进行测量,即可验证机械能守恒定律.图2给出的是 实验中获取的一条纸带:0是打下的第一个点,计数点间的距离如图所示, 每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出).已知m1=50 g,m2=150 g,则 (取g=9.8 m/s2)
在误差允许的范围内,m1,m2 组成的系统机械能守恒.
物理
(3)由于系统机械能守恒,从开始释放 m2 到下降 h 高度,有
1 2
(m1+m2)v2=ΔEp=(m2-m1)gh
即 v2 = (m2 m1)g h,代入数据得 v2 = g h.
2
m1 m2
22
而 v2 -h 图像的斜率 k= 5.82 =4.85,
他发现表中的 ΔEp与 ΔEk 之间存在差异,认为这是由于空气阻力造成的.你是否同 意他的观点?请说明理由. (4)请你提出一条减小上述差异的改进建议.
物理
解析:(1)钢球下落的高度为初末位置球心间的竖直距离,所以选 B. (2)由图知读数为 1.50 cm(1.49～1.51 都算对),钢球的速度为 v= d ,代入数据解得
物理
(1)除打点计时器(含纸带、复写纸)、交流电源、铁架台、导线及开关
外,在下面的器材中,必须使用的还有
.(选填器材前的字母)
A.大小合适的铁质重锤
B.体积较大的木质重锤
C.刻度尺
D.游标卡尺
E.秒表
物理
(2)如图(乙)是实验中得到的一条纸带.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hA,hB,hC.重锤质量用m表示,已 知当地重力加速度为g,打点计时器打点的周期为T.从打下O点到打下B
mhC hA 2
8T 2
(3)ABD (4)A
物理 [例2] (2016·全国Ⅰ卷,22) 某同学用图(a)所示的实验装置验证机械能守 恒定律,其中打点计时器的电源为交流电源,可以使用的频率有20 Hz、 30 Hz和40 Hz.打出纸带的一部分如图(b)所示.
该同学在实验中没有记录交流电的频率f,需要用实验数据和其他题给 条件进行推算.
瞬时速度,所以有
v5=
h4 h5 2T
=
21.66 19.14 102
2 0.05
m/s=4.08 m/s.
(2)根据重力做功和重力势能的关系,小球增加的重力势能为
ΔEp=mg(h2+h3+h4)=0.200×9.8×(26.68+24.16+21.66)×10-2 J≈1.42 J;小球减少的动
物理
(1)实验时,该同学进行了如下步骤:
①将质量均为M的重物(A含挡光片、B含挂钩)用绳连接后,跨放在定滑
轮上,处于静止状态.测量出
(选填“A的上表面”“A的下表面”
或“挡光片中心”)到光电门中心的竖直距离h.
②在B的下端挂上质量为m的物块C,让系统中的物体由静止开始运动,
光电门记录挡光片挡光的时间为Δt.
(4)若机械能守恒,有 mgh= 1 mv2,则 v2=2gh,可知 v2-h 图线为过原点的一条倾斜直
2
线,图线斜率为
2g,若重锤受大小不变的阻力
Ff
作用,则有(mg-Ff)h=
1 2
mv2,则
v2=2(g- Ff )h,图线仍为直线,只是斜率小于 2g,选项 A 正确.
m
答案:(1)AC (2)mghB
物理
(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落,利用f和图(b)中给出的物理
量可以写出:在打点计时器打出B点时,重物下落的速度大小为
,
打出C点时重物下落的速度大小为
,重物下落的加速度大小
为
.
(2)已测得s1=8.89 cm,s2=9.50 cm,s3=10.10 cm,当地重力加速度大小为 9.80 m/s2,实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%,由此推算
8T 2
.
物理
(3)释放重锤前,应使纸带竖直且重锤尽量靠近打点计时器,故 A 正确;实验时,应先
接通电源,再释放纸带,故 B 正确;为测量打点计时器打下某点时重锤的速度 v,应
根据纸带上某段时间内的平均速度等于瞬时速度求出,故 C 错误;计算从开始到
下落一段高度的重力势能的减少量时,应利用公式 Ep=mgh 计算,故 D 正确.
在该实验中需要测量点迹间的距离,需要刻度尺,不需要游标卡尺,故 C 正确,D 错
误;打点计时器可以记录时间,不需要秒表,故 E 错误.
(2)从打下 O 点到打下 B 点的过程中,重锤重力势能的减少量 ΔEp=mghB,B 点的速
度为
vB=
hC hA 2T
则增加的动能为
ΔEk=
1 2
m vB2
=
mhC hA 2
出f为
Hz.
物理
解析:(1)由关系式
Δs=aT2 得
s2-s1=a1
1 f2
,s3-s2=a2
1 f2
,则
a= a1 a2
2
=
s3
s1
2
f2
.
根据 vt = vt 得
2
vB=
s1 s2 2T
= s1 s2 f
2
,
vC=
s2 s3 2T
= s2 s3 f
2
.
物理
(2)由牛顿第二定律得 mg-1%mg=ma,
物理
实验六 验证机械能守恒定律
物理
实验解读 分类研析
物理
实验解读 核心突破
物理
●注意事项
1.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,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.
物理
解析:(1)由匀变速直线运动的推论 vt
2
= vt
得
v5=
x46 t46
=
(21.60 26.40) 102 2 0.1
m/s=2.40 m/s.
(2)系统动能的增加量
ΔEk=Ek5-0=
1 2
(m1+m2)
v22
=0.576
J.
系统重力势能减小量 ΔEp=(m2-m1)gh=0.1×9.8×0.600 0 J=0.588 J.
t
v=1.50 m/s(1.49～1.51 都算对). (3)若是空气阻力造成的,则 ΔEk 应小于 ΔEp,根据表格数据知不是空气阻力造成 的.(4)钢球经过 A 点时,光电门的位置低于球心的位置,故实验中测得的钢球速度 大于钢球在 A 点的实际速度.遮光条与钢球运动的角速度相等,由 v=ω·r 知,ω 一定 时,v 与 r 成正比,故分别测出光电门和球心到悬点的距离 L 和 l,即可折算出钢球 经过 A 点时的速度 v′= l ·v.
5.速度不能用 vn=gtn 或 vn= 2ghn 计算,速度应从纸带上直接测量计算.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=
1 2
g tn2
或
hn=
vn2 2g
计算得
出.
物理
●误差分析 1.减小测量误差: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.
物理
(4)某同学在纸带上选取计数点后,测量它们到起始点O的距离h,并计算
出打相应计数点时重锤的速度v,通过描绘v2-h图像去研究机械能是否守
恒.若实验中重锤所受阻力不可忽略,且阻力大小保持不变,从理论上分
析,合理的v2-h图像是图中的哪一个
.
物理
解析:(1)为了减小阻力的影响,选择质量较大、体积较小的重锤,故 A 正确,B 错误;
物理
时刻
t2
t3
t4
t5
速度(m/s)
5.59
5.08
4.58
(1)由频闪照片上的数据计算 t5 时刻小球的速度 v5=
m/s.
(2)从 t2 到 t5 时间内,重力势能增量 ΔEp=
J,动能减少量 ΔEk=
J,
可知在误差允许的范围内机械能
.
物理
解析:(1)由于匀变速直线运动中,一段时间内的平均速度等于该时间中间时刻的
物理
(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量 ΔEk=
J,系统势能的减少量 ΔEp=
J,说明在误差允许的范围内系统的机械能守恒.(结果保留三位有效数字)
(3)若某同学作出 v2 -h 图像如图 3 所示,则当地的实际重力加速度 g=
2
m/s2.