2017屆高考物理一輪總復(fù)習(xí)課件：必修2.5實(shí)驗(yàn)六驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律解析

第一頁，共45頁。實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮推鞑膶?shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證機(jī)械能守恒定律1.在只有重力做功的自由落體運(yùn)動(dòng)中,物體的重力勢能和動(dòng)能互相轉(zhuǎn)化,但總的機(jī)械能保持不變。若物體某時(shí)刻瞬時(shí)速度為v,下落高度為h,則重力勢能的減少量為mgh,動(dòng)能的增加量為mv2,看它們在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)是否相等,若相等則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律2.計(jì)算打第n個(gè)點(diǎn)時(shí)速度的方法:如圖所示,由公式可得第n個(gè)點(diǎn)的速度實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(tái)(含鐵夾),打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,學(xué)生電源,紙帶,復(fù)寫紙,導(dǎo)線,毫米刻度尺,重物(帶紙帶夾)第二頁，共45頁。一、實(shí)驗(yàn)步驟1.安裝置按圖示將調(diào)整好的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上,接好電路。2.打紙帶將紙帶的一端用夾子固定在重物上,另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔用手提著紙帶使重物靜止(jìngzhǐ)在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方。先接通電源,后松開紙帶,讓重物帶著紙帶自由下落,更換紙帶重復(fù)做3～5次實(shí)驗(yàn)?！緦?shí)驗(yàn)(shíyàn)過程】第三頁，共45頁。3.選紙帶分兩種情況說明(1)如果根據(jù)驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)選點(diǎn)跡清晰，打點(diǎn)成一條直線，且1、2兩點(diǎn)間距離小于或接近2mm的紙帶。(2)如果根據(jù)驗(yàn)證時(shí)，由于重力勢能的相對(duì)性，處理紙帶時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)即可，這樣紙帶上打出的第1、2兩點(diǎn)間的距離是否為2mm就無關(guān)緊要了，只要后面(hòumian)的點(diǎn)跡清晰就可選用。第四頁，共45頁。二、數(shù)據(jù)處理方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)計(jì)算。代入mghn和如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的條件下mghn和相等，那么驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。方法二：任取兩點(diǎn)計(jì)算：(1)任取兩點(diǎn)A、B測出hAB，算出mghAB。(2)算出的值。(3)在實(shí)驗(yàn)誤差允許的條件下，假設(shè)(jiǎshè)mghAB=成立，那么驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。第五頁，共45頁。方法三：采用圖像法。從紙帶上選取多個(gè)點(diǎn)，測量從第一點(diǎn)到其余各點(diǎn)的下落高度h，并計(jì)算各點(diǎn)速度的平方v2，然后以為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)(gēnjù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出圖線。假設(shè)在誤差允許的范圍內(nèi)圖線是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，那么驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。第六頁，共45頁?！菊`差(wùchā)分析】誤差產(chǎn)生原因減小方法偶然誤差測量長度帶來的誤差(1)測量距離時(shí)就應(yīng)從計(jì)數(shù)0點(diǎn)量起,且選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)離0點(diǎn)遠(yuǎn)些(2)多次測量取平均值系統(tǒng)誤差重物和紙帶下落過程中存在阻力(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝穩(wěn)固,并使兩限位孔在同一豎直線上,以減小摩擦阻力(2)選用質(zhì)量大、體積小的物體作重物,以減小空氣阻力的影響第七頁，共45頁?！颈揪眄氈?.安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)要豎直架穩(wěn),使其兩限位孔在同一豎直線上以減小摩擦阻力。2.重物應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大、體積較小的物體以減小空氣阻力的影響。3.應(yīng)先接通電源(diànyuán),讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后,再松開紙帶讓重物下落。4.紙帶長度選用60cm左右為宜,應(yīng)選用點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行測量。第八頁，共45頁。5.速度不能用vn=gtn或vn=計(jì)算，因?yàn)橹灰J(rèn)為加速度為g，機(jī)械能當(dāng)然守恒，即相當(dāng)于用機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。況且用vn=gtn計(jì)算出的速度比實(shí)際值大，會(huì)得出機(jī)械能增加的結(jié)論，而因?yàn)槟Σ磷枇Φ挠绊?，機(jī)械能應(yīng)該減小，所以速度應(yīng)從紙帶上直接(zhíjiē)測量計(jì)算。同樣的道理，重物下落的高度h，也只能用毫米刻度尺直接(zhíjiē)測量，而不能用或計(jì)算得到。第九頁，共45頁?！緦?shí)驗(yàn)改進(jìn)】1.物體的速度可以用光電計(jì)時(shí)器測量,以減小由于(yóuyú)測量和計(jì)算帶來的誤差。2.整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置可以放在真空的環(huán)境中操作,如用牛頓管和頻閃照相進(jìn)行驗(yàn)證,以消除由于(yóuyú)空氣阻力作用而帶來的誤差。3.可以利用氣墊導(dǎo)軌來設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn),以減小由于(yóuyú)摩擦帶來的誤差。第十頁，共45頁。4.為防止重物被釋放時(shí)的初速度不為零,可將裝置(zhuāngzhì)改成如下圖形式,剪斷紙帶最上端,讓重物從靜止開始下落。第十一頁，共45頁。熱點(diǎn)1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及誤差分析

【典例1】在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律〞的實(shí)驗(yàn)中,電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的電源的頻率為50Hz,查得當(dāng)?shù)氐闹亓?zhònglì)加速度g=2,測得所用的重物質(zhì)量為。實(shí)驗(yàn)中得到一條點(diǎn)跡清晰的紙帶(如下圖),把第一個(gè)點(diǎn)記為O,另選連續(xù)的四個(gè)點(diǎn)A、B、C、D作為測量的點(diǎn),經(jīng)測量知道A、B、C、D各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離分別為、、、。第十二頁，共45頁。(1)根據(jù)以上數(shù)據(jù),可知重物由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn),重力勢能的減少量等于J,動(dòng)能的增加量等于J(取三位有效數(shù)字(yǒuxiàoshùzì))。(2)根據(jù)以上數(shù)據(jù),可知重物下落時(shí)的實(shí)際加速度a=______m/s2,ag(選填“大于〞或“小于〞),原因是

_________。第十三頁，共45頁?！緲?biāo)準(zhǔn)(biāozhǔn)解答】(1)由題意知重物由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至C點(diǎn)，下落的高度為hC=77.76cm=0.7776m，m=1.00kg，g=9.80m/s2，所以重力勢能的減少量為ΔEp=mghC=1.00×9.80×0.7776J=7.62J。重物經(jīng)過C點(diǎn)時(shí)的速度又因?yàn)門=0.02s、OD=85.73cm=0.8573m、OB=70.18cm=0.7018m所以故重物動(dòng)能的增加量ΔEk為ΔEk=第十四頁，共45頁。(2)根據(jù)CD-AB=2aT2,CD=OD-OC,AB=OB-OA，代入數(shù)據(jù)得a=9.75m/s2<g。實(shí)驗(yàn)中重物受空氣阻力，紙帶受限位孔或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器振針的阻力作用(zuòyòng)，導(dǎo)致a<g。答案：(1)7.627.57(2)9.75小于重物受空氣阻力，紙帶受限位孔或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器振針的阻力第十五頁，共45頁。熱點(diǎn)2實(shí)驗(yàn)原理的拓展創(chuàng)新

【典例2】(2011·海南高考)現(xiàn)要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示:水平桌面上固定一傾斜的氣墊導(dǎo)軌;導(dǎo)軌上A點(diǎn)處有一帶長方形遮光片的滑塊,其總質(zhì)量為M,左端由跨過輕質(zhì)光滑定滑輪的細(xì)繩與一質(zhì)量為m的砝碼相連;遮光片兩條長邊與導(dǎo)軌垂直;導(dǎo)軌上B點(diǎn)有一光電門,可以(kěyǐ)測量遮光片經(jīng)過光電門時(shí)的擋光時(shí)間t,用d表示A點(diǎn)到導(dǎo)軌底端C點(diǎn)的距離,h表示A與C的高度差,b表示遮光片的第十六頁，共45頁。寬度,s表示A、B兩點(diǎn)的距離,將遮光片通過光電門的平均速度看作滑塊通過B點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度。用g表示重力加速度。完成下列填空和作圖。(1)假設(shè)將滑塊自A點(diǎn)由靜止釋放，那么在滑塊從A運(yùn)動(dòng)至B的過程中，滑塊、遮光片與砝碼組成的系統(tǒng)(xìtǒng)重力勢能的減小量可表示為__________。動(dòng)能的增加量可表示為_________。假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能守恒，與s的關(guān)系式為=_________。第十七頁，共45頁。(2)屢次改變光電門的位置，每次均令滑塊自同一點(diǎn)(A點(diǎn))下滑，測量相應(yīng)(xiāngyīng)的s與t值，結(jié)果如表所示：12345s/m0.6000.8001.0001.2001.400t/ms8.227.176.445.855.431.481.952.412.923.39第十八頁，共45頁。以s為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙中描出第1和第5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；根據(jù)5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作直線，求得該直線的斜率k=_______×104m-1·s-2(保存3位有效數(shù)字)。由測得的h、d、b、M和m數(shù)值可以計(jì)算出直線的斜率k0，將k和k0進(jìn)行比較，假設(shè)(jiǎshè)其差值在實(shí)驗(yàn)允許的范圍內(nèi)，那么可認(rèn)為此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。第十九頁，共45頁。【標(biāo)準(zhǔn)解答】(1)滑塊和遮光片的重力勢能(shìnéng)減少，砝碼的重力勢能(shìnéng)增加，所以系統(tǒng)的重力勢能(shìnéng)減少的量為滑塊運(yùn)動(dòng)到光電門時(shí)的速度為所以系統(tǒng)的動(dòng)能增加量為假設(shè)機(jī)械能守恒，那么有解得第二十頁，共45頁。(2)如下(rúxià)圖。由圖像(túxiànɡ)可求得斜率答案：(1)(2)見標(biāo)準(zhǔn)解答圖第二十一頁，共45頁。【雙基題組】1.(2013·廣州模擬)在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，沒有必要進(jìn)行的操作是()A.用天平測重物的質(zhì)量(zhìliàng)B.用秒表測重物下落的時(shí)間C.用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄重物下落的信息D.用紙帶記錄、測量重物下落的高度第二十二頁，共45頁?！窘馕觥窟xA、B。從驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的兩種處理方法來看，沒有必要測出重物的質(zhì)量，只需驗(yàn)證或者(huòzhě)即可，故A不必要。重物下落的時(shí)間可由紙帶上的打點(diǎn)間隔計(jì)算，所以沒有必要用秒表測量重物下落的時(shí)間，故B不必要。C和D兩個(gè)選項(xiàng)的操作是必要的。故本題選A、B。第二十三頁，共45頁。2.以下(yǐxià)關(guān)于“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律〞實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)誤差的說法中，正確的選項(xiàng)是()A.重物質(zhì)量的稱量不準(zhǔn)會(huì)造成較大誤差B.重物質(zhì)量選用得大些，有利于減小誤差C.重物質(zhì)量選用得較小些，有利于減小誤差D.紙帶下落和打點(diǎn)不同步會(huì)造成較大誤差第二十四頁，共45頁。【解析】選B、D。從需要驗(yàn)證的關(guān)系式ghn與看，與質(zhì)量(zhìliàng)無關(guān)，A錯(cuò)誤。當(dāng)重物質(zhì)量(zhìliàng)大一些時(shí)，空氣阻力較小，B正確，C錯(cuò)誤。如果紙帶先下落而后打點(diǎn)時(shí)，紙帶上最初兩點(diǎn)的點(diǎn)跡間隔較正常時(shí)略大，用此紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其結(jié)果是重物在打第一個(gè)點(diǎn)時(shí)就有了初動(dòng)能，因此重物動(dòng)能的增加量比重物重力勢能的減少量大，造成較大誤差，D正確。第二十五頁，共45頁。3.(2013·濟(jì)南模擬)用如圖實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒，m2從高處由靜止開始下落，m1上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。圖中給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條(yītiáo)紙帶;0是打下的第一個(gè)點(diǎn)，每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)(圖中未標(biāo)出),計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如下圖。m1=50g、m2=150g，那么(g取9.8m/s2,所有結(jié)果均保存三位有效數(shù)字)第二十六頁，共45頁。(1)在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v5=m/s;(2)在打點(diǎn)0～5過程中系統(tǒng)(xìtǒng)動(dòng)能的增量ΔEk=J,系統(tǒng)(xìtǒng)勢能的減少量ΔEp=J,由此得出的結(jié)論是___________________________________________________________________(3)假設(shè)某同學(xué)作出圖像如圖，那么當(dāng)?shù)氐膶?shí)際重力加速度g=_________m/s2。第二十七頁，共45頁?！窘馕觥?1)(2)在打點(diǎn)0～5過程中系統(tǒng)動(dòng)能的增量系統(tǒng)勢能的減少量由此得出：在誤差允許的范圍(fànwéi)內(nèi)，m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒。第二十八頁，共45頁。(3)由可知，圖像的斜率為當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭，由題圖可知，答案：(1)2.40(2)0.5760.588在誤差允許的范圍內(nèi)，m1、m2組成(zǔchénɡ)的系統(tǒng)機(jī)械能守恒第二十九頁，共45頁?！靖呖碱}組】4.(2010·四川高考)有4條用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(所用交流電頻率為50Hz)打出的紙帶(zhǐdài)A、B、C、D，其中一條是做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律〞實(shí)驗(yàn)時(shí)打出的。為找出該紙帶(zhǐdài)，某同學(xué)在每條紙帶上取了點(diǎn)跡清晰的、連續(xù)的4個(gè)點(diǎn)，用刻度尺測出相鄰兩個(gè)點(diǎn)間距離依次為s1、s2、s3。請(qǐng)你根據(jù)以下s1、s2、s3的測量結(jié)果確定該紙帶(zhǐdài)為_________。(當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹?.791m/s2)第三十頁，共45頁。A.61.0mm65.8mm70.7mmB.41.2mm45.1mm53.0mmC.49.6mm53.5mm57.3mmD.60.5mm61.0mm60.6mm【解析】選C。驗(yàn)證(yànzhèng)機(jī)械能守恒采用重物的自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，所以相鄰的0.02s內(nèi)的位移增加量為Δs=gT22m≈3.9mm。第三十一頁，共45頁。5.(2010·新課標(biāo)全國卷)如圖為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。現(xiàn)有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺(tái)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、帶鐵夾的重錘、天平。答復(fù)以下問題：(1)為完成此實(shí)驗(yàn)，除了所給的器材，還需要(xūyào)的器材有______。(填入正確選項(xiàng)前的字母)A.米尺B.秒表～12V的直流電源～12V的交流電源(2)實(shí)驗(yàn)中誤差產(chǎn)生的原因有______。(寫出兩個(gè)原因)第三十二頁，共45頁?！窘馕觥?1)用A項(xiàng)米尺測量長度,用D項(xiàng)交流電源供打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用。(2)紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間有摩擦;用米尺測量紙帶上點(diǎn)的位置時(shí)讀數(shù)有誤差;計(jì)算勢能(shìnéng)變化時(shí)選取的始末兩點(diǎn)距離過近;交流電頻率不穩(wěn)定。答案:(1)A、D(2)紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間有摩擦;用米尺測量紙帶上點(diǎn)的位置時(shí)讀數(shù)有誤差;計(jì)算勢能(shìnéng)變化時(shí),選取的始末兩點(diǎn)距離過近;交流電頻率不穩(wěn)定(任選其二)第三十三頁，共45頁。6.(2010·安徽高考)利用如下圖裝置進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)時(shí),需要測量物體由靜止開始(kāishǐ)自由下落到某點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度v和下落高度h。某班同學(xué)利用實(shí)驗(yàn)得到的紙帶,設(shè)計(jì)了以下四種測量方案:a.用刻度尺測出物體下落的高度h，并測出下落時(shí)間t，通過v=gt計(jì)算出瞬時(shí)速度v。b.用刻度尺測出物體下落的高度h，并通過計(jì)算出瞬時(shí)速度v。第三十四頁，共45頁。c.根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這點(diǎn)前后相鄰(xiānɡlín)兩點(diǎn)間的平均速度，測算出瞬時(shí)速度v，并通過計(jì)算出高度h。d.用刻度尺測出物體下落的高度h，根據(jù)做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)紙帶上某點(diǎn)的瞬時(shí)速度等于這點(diǎn)前后相鄰(xiānɡlín)兩點(diǎn)間的平均速度，測算出瞬時(shí)速度v。以上方案中只有一種正確，正確的選項(xiàng)是________(填入相應(yīng)的字母)第三十五頁，共45頁?！窘馕觥縜、b、c三個(gè)方案中運(yùn)用v=gt、以及計(jì)算，均使用了機(jī)械能守恒的結(jié)論，故a、b、c錯(cuò)誤，d正確(zhèngquè)。答案：d第三十六頁，共45頁。7.(2019·江蘇高考)某同學(xué)利用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律?；⌒诬壍滥┒怂?，離地面的高度為H。將鋼球從軌道的不同(bùtónɡ)高度h處靜止釋放，鋼球的落點(diǎn)距軌道末端的水平