安徽省高考物理一轮总复习 第五单元 功和能第6节 实验七 验证机械能守恒定律学案 新课标北京专版.docx

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安徽省高考物理一轮总复习第五单元功和能第6节实验七验证机械能守恒定律学案新课标北京专版

2013届新课标高考物理总复习学案

第五单元功和能

第6节实验七验证机械能守恒定

验证机械能守恒定律。

铁架台（含铁夹），打点计时器，学生电源，纸带，复写纸，导线，毫米刻度尺，重物（带纸带夹）。

1．仪器安装

按图实－7－2所示将检查、调整好的

打点计时器竖直固定在铁架台上，接

好电路。

图实－7－2

2．打纸带

将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提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。

先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。

更换纸带重复做3～5次实验。

（1）实验控制条件，即应满足机械能守恒的条件，这就要求

尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：

①安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖

直，以减小摩擦阻力。

②应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的

影响相对减小，增大密度可以减小体积，可使空气阻力

减小。

1．偶然误差

偶然误差的来源主要来源于测量，减小测量误差的办法，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。

图实－7－5

图实－7－5

[例1]　利用如图实－7－6所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，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：

图实－7－6

[答案]　d

[例2]　用如图实－7－7所示的装置验证

机械能守恒定律，质量mkg的重物拖着纸

带由静止开始下落，打点计时器在纸带上

打出一系列点，在纸带上选取三个相邻计

数点A、B、C，相邻计数点时间间隔为0.1

0s，O是重物刚开始下落时打下的第一个

点，计数点间的距离如图实－7－8所示。

图实－7－7

（g取9.8m/s2，结果保留两位有效数字）

图实－7－8

（1）在纸带上打下计数点B时的速度v＝________m/s；

（2）在打点O到B的过程中，重物动能的增加量ΔEk＝________mJ，重物重力势能的减少量ΔEp＝_______mJ；

（3）实验中误差产生的原因有________。

（写出两个原因即可）

重物重力势能的减少量：

ΔEp＝mghOB＝5.3mJ。

（3）空气阻力；纸带受到打点计时器的阻力作用；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差（任选其二）。

[答案]　

（1）3.2　

（2）5.1　5.3　（3）见解析

[例3]　（2011·海南高考）现要通过实验验

证机械能守恒定律。

实验装置如图实－

7－9所示：

水平桌面上固定一倾斜的气

垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮

光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻

质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连；图实－7－9

遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点有一光电门，可以测量遮光片经过光电门时

的挡光时间t。

用d表示A点到导轨底端C点的距离，h表示A与C的高度差，b表示遮光片的宽度，s表示A、B两点间的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度。

用g表示重力加速度。

完成下列填空和作图：

图实－7－10

（2）第1和第5个数据点及所作直线如图所示。

直线的斜率约为k＝2.36×104m－1·s－2。

[每课一测]

1．下列关于“验证机械能守恒定律”实验的实验误差的说法中，正确的是（　　）

A．重物质量的称量不准会造成较大误差

B．重物质量选用得大些，有利于减小误差

C．重物质量选用得较小些，有利于减小误差

D．纸带下落和打点不同步不会影响实验

解析：

验证机械能守恒，即验证减少的重力势能是否等于增加的动能即mgh＝mv2，其中质量可以约去，没必要测量重物质量，A不正确。

当重物质量大一些时，空气阻力可以忽略，B正确，C错误。

纸带先下落而后打点，此时，纸带上最初两点的点迹间隔较正常时略大，用此纸带进行数据处理，其结果是重物在打第一个点时就有了初动能，因此重物动能的增加量比重物重力势能的减少量大，D错误。

答案：

B

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s1、s2、s3。

请你根据下列s1、s2、s3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

解析：

验证机械能守恒定律采用重锤的自由落体运动实现，所以相邻的0.02s内的位移增加量为Δs＝gT2＝9.791×0.022mm≈3.9mm，只有C符合要求。

故选C。

答案：

C

3.

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。

频闪仪每隔0.05s闪光一次，图实－7－11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10m/s2，小球质量m＝0.2kg，结果保留三位有效数字）：

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，重力势能增加量ΔEp＝________J，动能减小量ΔEk＝________J。

图实－7－11

（3）在误差允许的范围内，若ΔEp与ΔEk近似相等，从而验证了机械能守恒定律。

由上述计算得ΔEp________ΔEk（选填“>”“<”或“＝”），造成这种结果的主要原因是________________。

解析：

（1）v5＝cm/s＝408cm/s＝4.08m/s。

（2）由题给条件知：

h25＝（26.68＋24.16＋21.66）cm＝72.5cm＝0.725m。

ΔEp＝mgh25＝0.2×10×0.725J＝1.45J

ΔEk＝mv22－mv52＝×0.2×（5.592－4.082）J＝1.46J

（3）由

（2）中知ΔEp<ΔEk，因为存在空气摩擦等原因，导致重力势能的增加量小于动能的减少量。

答案：

（1）4.08　

（2）1.45　1.46　（3）<　原因见解析

4．DIS实验是利用现代信息技术进行的实验。

老师上课时“用DIS研究机械能守恒定律”的装置如图实－7－12甲所示，在某次实验中，选择DIS以图像方式显示实验的结果，所显示的图像如图乙所示。

图像的横轴表示小球距D点的高度h，纵轴表示摆球的重力势能Ep、动能Ek或机械能E。

试回答下列问题：

图实－7－12

（1）图乙的图像中，表示小球的重力势能Ep、动能Ek、机械能E随小球距D点的高度h变化关系的图线分别是________（按顺序填写相应图线所对应的文字）。

（2）根据图乙所示的实验图像，可以得出的结论是___________________________

________________________________________________________________________。

解析：

（1）小球由A到D过程中重力势能减小，动能增加，由题图乙的图像知机械能总量不变，故表示小球的重力势能Ep、动能Ek、机械能E随小球距D点的高度h变化关系的图线分别是乙、丙、甲。

（2）由实验结果知：

在误差允许的范围内，在只有重力做功的情况下，小球的机械能守恒。

答案：

（1）乙、丙、甲

（2）在误差允许的范围内，在只有重力做功的情况下，小球的机械能守恒

5．某研究性学习小组在做“验证机械能守恒定律”的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，查得当地的重力加速度g＝9.80m/s2。

测得所用重物的质量为1.00kg。

（1）下面叙述中正确的是________。

A．应该用天平称出重物的质量

B．可选用点迹清晰，第一、二两点间的距离接近2mm的纸带来处理数据

C．操作时应先松开纸带再通电

D．打点计时器应接在电压为4～6V的交流电源上

（2）实验中甲、乙、丙三学生分别用同一装置得到三条点迹清晰的纸带，量出各纸带上第一、二两点间的距离分别为0.18cm、0.19cm、0.25cm，则可肯定________同学在操作上有错误，错误是________。

若按实验要求正确地选出纸带进行测量，量得连续三点A、B、C到第一个点O间的距离分别为15.55cm、19.20cm和23.23cm。

则当打点计时器打点B时重物的瞬时速度v＝________m/s；重物由O到B过程中，重力势能减少了________J，动能增加了________J（保留3位有效数字），根据所测量的数据，还可以求出重物实际下落的加速度为________m/s2，则重物在下落的过程中所受到的阻力为________N。

解析：

（1）本实验中只需验证gh与的关系，不需要测重物质量，操作时应先接通电源再松开纸带，可选用点迹清晰，第一、二两点间的距离接近2mm的纸带来处理数据，A、C错，B、D对。

（2）实验中理想的纸带应是点迹清晰，第一、二两点间的距离略小于2mm的纸带，所以丙错误，错误在于操作中先松开了纸带，再接通了电源，致使纸带上第一、二两点间间距增大。

利用公式vn＝可计算出打点B时重物的瞬时速度为1.92m/s。

重物由O到B过程中，重力势能减少了ΔEp＝mgh＝1.00×9.8×19.20×10－2J＝1.88J；动能增加了ΔEk＝mv2＝1.84J，由Δh＝aT2可求出重物实际下落的加速度为a＝9.5m/s2，由牛顿第二定律知重物在下落的过程中所受到的阻力满足mg－F阻＝ma，所以F阻＝0.3N。

答案：

（1）BD　

（2）丙　先松开了纸带，再接通了电源　1.92　1.88　1.84　9.5　0.3

6．某实验小组利用如图实－7－13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。

图实－7－13

（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）如图实－7－14所示（经放大后的），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，g为已知）。

图实－7－14

（3）本实验通过比较________和________在实验误差允许的范围内是否相等（用测量的物理量符号表示），从而验证系统的机械能守恒。

解析：

（1）检验气垫导轨底座是否水平时，可以先接通气源，将滑块静置于气垫导轨上，若滑块在导轨上各个位置均能静止时，说明导轨是水平的。

（2）游标卡尺的读数为d＝5mm＋0.1mm×2＝5.2mm＝0.52cm；滑块通过光电门时的瞬时速度为v＝＝0.43m/s；应测出滑块上的遮光条的初位置到光电门的距离x和滑块的质量M。

（3）系统重力势能的减少量为mgx，系统动能的增加量为（M＋m）v2＝（M＋m）（）2，若两者相等时，可认为系统的机械能守恒。

答案：

（1）接通气源，将滑块静置于气垫导轨上，若滑块基本保持静止，则说明导轨是水平的（或取下钩码，轻推滑块，滑块基本能做匀速直线运动）。

（2）0.52　0.43　滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离x　滑块的质量M

（3）mgx　（M＋m）（）2