高考物理總復(fù)習(xí)第5章實(shí)驗(yàn)六驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律課件大綱版

實(shí)驗(yàn)六

驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)六

驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)六驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律知識(shí)要點(diǎn)歸納過(guò)程分析導(dǎo)引實(shí)驗(yàn)典例精析知能優(yōu)化演練知識(shí)要點(diǎn)歸納知識(shí)要點(diǎn)歸納實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦米杂陕潴w運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證只有重力作用下的物體機(jī)械能守恒．實(shí)驗(yàn)原理121．在只有重力做功的自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體的重力勢(shì)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(shì)能的減少量為mgh，動(dòng)能的增加量為2mv，看它們?cè)趯?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)速度的方法：測(cè)出第n

個(gè)點(diǎn)與相鄰前后點(diǎn)間的距離xn

和xn＋1，由公式vn＝x

＋x＋n

n

12T或vn＝hn＋1－h(huán)n－12T算出，如圖5－5－1

所示．圖5－5－1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(xiě)紙、導(dǎo)線(xiàn)、毫米刻度尺、重物(帶紙帶夾)．過(guò)程分析導(dǎo)引過(guò)程分析導(dǎo)引一、實(shí)驗(yàn)步驟1．安裝置：按圖5－5－2將檢查、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(guò)打點(diǎn)

計(jì)時(shí)器的限位孔用手提著紙帶使

重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地

方．先接通電源，后松開(kāi)紙帶，

讓重物帶著紙帶自由下落．更換紙帶重復(fù)做3次～5次實(shí)驗(yàn)．圖5－5－23．選紙帶：分兩種情況說(shuō)明122(1)用mv

＝mghn

n驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)選點(diǎn)跡清晰，且1、2兩點(diǎn)間距離小于或接近

2 mm

的紙帶．若

1、2兩點(diǎn)間的距離大于

2

mm，這是由于先釋放紙帶，后接通電源造成的．這樣，第1個(gè)點(diǎn)就不是運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)了，這樣的紙帶不能選．221

1B

A(2)用

mv

－2mv2

＝mgΔh

驗(yàn)證時(shí)，由于重力勢(shì)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)，這樣紙帶上打出的第1、2

兩點(diǎn)間的距離是否為2mm就無(wú)關(guān)緊要了，所以只要后面的點(diǎn)跡清晰就可選用．二、數(shù)據(jù)處理1．求瞬時(shí)速度在第一個(gè)打點(diǎn)上標(biāo)出O，并從稍靠后的某一點(diǎn)開(kāi)始，依次標(biāo)出1、2、3、4、…并量出各點(diǎn)到位置O

的距1

2

3

4離h

、h

、h

、h

、….用公式vn＝2Thn＋1－h(huán)n－1計(jì)算出各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3、v4、….2．驗(yàn)證守恒n122n法一：利用起始點(diǎn)和第

n

點(diǎn)計(jì)算．代入

gh

和

v

，n122n如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，gh

＝

v

，則說(shuō)明機(jī)械能守恒定律是正確的．法二：任取兩點(diǎn)計(jì)算(1)任取兩點(diǎn)A、B

測(cè)出hAB，算出ghAB.1

12

22

2B

A(2)算出

v

－v

的值．(3)如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，ghAB21

12

22B

A＝

v

－

v

，則說(shuō)明機(jī)械能守恒定律是正確的．法三：圖象法．從紙帶上選取多個(gè)點(diǎn)，測(cè)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v2，1

1然后以2v

為縱軸，以

h

為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出2v2

2－h(huán)

圖線(xiàn)．若在誤差允許的范圍內(nèi)圖象是一條過(guò)原點(diǎn)且斜率為g

的直線(xiàn)，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．三、誤差分析

1．本實(shí)驗(yàn)中因重物和紙帶在下落過(guò)程中要克服各種阻力(空氣阻力、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器阻力)做功，故動(dòng)能的增加量ΔEk稍小于重力勢(shì)能的減少量ΔEp，即ΔEk<ΔEp，這屬于系統(tǒng)誤差．改進(jìn)的辦法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減小阻力．2．本實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)誤差來(lái)源于長(zhǎng)度的測(cè)量，屬偶然誤差．減小誤差的辦法是測(cè)下落距離時(shí)都從O點(diǎn)量起，一次將各打點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下落高度測(cè)量完，或者多次測(cè)量取平均值．四、注意事項(xiàng)

1．應(yīng)盡可能控制實(shí)驗(yàn)條件，即應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)械能守恒的條件，這就要求盡量減小各種阻力的影響，采取的措施有：安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，必須使兩個(gè)限位孔的中線(xiàn)嚴(yán)格豎直，以減小摩擦阻力．應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對(duì)減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力減?。?/p>

2．實(shí)驗(yàn)中，提紙帶的手要保持不動(dòng)，且保證紙帶豎直．接通電源后，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定后再松開(kāi)紙帶．3．驗(yàn)證機(jī)械能守恒時(shí)，可以不測(cè)出物體質(zhì)量，只122n

n要比較

v

和

gh

是否相等即可驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒．4．測(cè)量下落高度時(shí)，為了減小測(cè)量值h

的相對(duì)誤差，選取的各個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)要離起始點(diǎn)遠(yuǎn)一些，紙帶也不易過(guò)長(zhǎng)，有效長(zhǎng)度可在60

cm～80cm

之間．5．速度不能用vn＝gtn

或vn＝

2ghn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)械能增加的錯(cuò)誤結(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)從紙帶上直接測(cè)量計(jì)算．同樣的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺12n

nv22g直接測(cè)量，而不能用hn＝

gt2或h

＝

n

計(jì)算得到．五、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)物體下落過(guò)程中通過(guò)某一位置的速度可以用光電計(jì)時(shí)器測(cè)出來(lái)，利用這種裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，能消除紙帶與限位孔的摩擦阻力帶來(lái)的系統(tǒng)誤差；也可以把電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器更換成電火花式計(jì)時(shí)器，以消除計(jì)時(shí)器的振針在打點(diǎn)時(shí)對(duì)紙帶產(chǎn)生的阻力；還可以把整個(gè)裝置放在一個(gè)真空的環(huán)境中，以消除由于空氣阻力作用而帶來(lái)的誤差．實(shí)驗(yàn)典例精析實(shí)驗(yàn)典例精析例1數(shù)據(jù)處理及誤差分析(2011年如皋統(tǒng)考)在用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量m＝1.00

kg的重物自由下落，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列點(diǎn)．如圖5－5－3所示為選取的一條符合實(shí)驗(yàn)要求的紙帶，O為第一個(gè)點(diǎn)(速度恰好為零)，每?jī)蓚€(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有四個(gè)點(diǎn)未畫(huà)出，選連續(xù)的3個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C作為測(cè)量的點(diǎn)，如圖所示，經(jīng)測(cè)量知道A、B、C各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離分別為50.50

cm、86.00

cm、130.50cm.已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器每隔0.02

s打一次點(diǎn)，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭＝9.80

m/s2.圖5－5－3根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可計(jì)算出打B點(diǎn)時(shí)的速度vB＝

m/s；重物由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，重力勢(shì)能減少了

J，動(dòng)能增加了

J．根據(jù)所測(cè)量的數(shù)據(jù)，還可以求出物體實(shí)際下落的加速度為

m/s2，物體在從A到B下落的過(guò)程中所受到的平均阻力為

N(計(jì)算結(jié)果都要保留3位有效數(shù)字)，該阻力的來(lái)源主要有：

；

．【解析】

由于每?jī)蓚€(gè)相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)點(diǎn)沒(méi)有畫(huà)出，所以每?jī)蓚€(gè)相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為0.1

s，同時(shí)可求得：AB

＝86.00cm－50.50cm＝35.50

cm＝0.3550

mBC

＝130.50

cm－86.00

cm＝44.50cm＝0.4450

m根據(jù)勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于這段時(shí)間內(nèi)的平均速度可得：AC

OC

－

OAv

中＝

v

＝

2T

＝

2T＝(130.50－50.50)×10－22×0.1m/s＝4.00

m/s即vB＝4.00

m/s由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)下落的距離為：sOB＝86.00cm＝0.86

m重力勢(shì)能減少了EpB＝mgh＝1.00×9.80×0.86

J＝8.43

J根據(jù)求得的B

點(diǎn)速度可得重物由O

點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B

點(diǎn)動(dòng)OB2能增加了

ΔEk

＝1mv21＝2×1.00×(4.00)2

J＝8.00

J由Δs＝aT2

可求得紙帶下落的加速度a＝ΔsT20.12BC

－

AB

0.09T2＝

＝

m/s2＝9.00

m/s2根據(jù)牛頓第二定律得：mg－Ff＝ma從A到B下落的過(guò)程中所受到的平均阻力為Ff＝mg－ma＝1.00×9.80

N－1.00×9.00

N＝0.800

N分析紙帶受到的力有：重力、重物受到的空氣阻力、紙帶與限位孔之間的摩擦力等力的作用，所以阻力的來(lái)源是以上除重力之外的力．【答案】

4.00

8.43

8.00

9.00

0.800

重物受到的空氣阻力紙帶與限位孔之間的摩擦力(2010年高考海南卷)利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖5－5－4甲所示：例2實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新圖5－5－4(1)實(shí)驗(yàn)步驟：①將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，桌面高度不低于1

m，將導(dǎo)軌調(diào)至水平．②用游標(biāo)卡尺測(cè)量擋光條的寬度l，結(jié)果如圖乙所示，由此讀出l＝

mm.③由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門(mén)中心之間的距離s＝

cm.④將滑塊移至光電門(mén)1左側(cè)某處，待砝碼靜止不動(dòng)時(shí)，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過(guò)光電門(mén)2.⑤從數(shù)字計(jì)時(shí)器(圖甲中未畫(huà)出)上分別讀出擋光條通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)2所用的時(shí)間Δt1和Δt2.⑥用天平稱(chēng)出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，再稱(chēng)出托盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量m.(2)用表示直接測(cè)量量的字母寫(xiě)出下列所求物理量的表達(dá)式：①滑塊通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)2時(shí)瞬時(shí)速度分別為v1＝

和v2＝

.②當(dāng)滑塊通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)2時(shí)，系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤(pán)和砝碼)的總動(dòng)能分別為Ek1＝

和Ek2＝

.③在滑塊從光電門(mén)1運(yùn)動(dòng)到光電門(mén)2的過(guò)程中，系統(tǒng)勢(shì)能的減少ΔEp＝

(重力加速度為g)．(3)如果ΔEp≈

，則可認(rèn)為驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律．【解析】

(1)按照讀數(shù)規(guī)則可讀得，游標(biāo)卡尺讀數(shù)為l＝9.30

mm；兩光電門(mén)中心之間距離為s＝60.00

cm.(2)①通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間較短，可認(rèn)為通過(guò)光電門(mén)12Δt1

Δt2時(shí)速度恒定，則

v

＝

L

、v

＝

L

.

②滑塊通過(guò)光12電門(mén)1、2

時(shí)的動(dòng)能分別為Ek

＝

(M211

12＋m)v

＝

(M＋m)(

L

)2

Ek

＝

(M2

21

1LΔt1

2

2

Δt22

2＋m)v

＝

(M＋m)(

)

③系統(tǒng)勢(shì)能的減少即為托盤(pán)和砝碼重力勢(shì)能的減少，