2020版高考物理总复习5第6讲实验：验证机械能守恒定律课件新人教版

(2)(多选)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导
线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是___A_B____。
A．交流电源
B．刻度尺
C．天平(含砝码)
(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到图乙所示的一条纸带。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。
答案 AC
2．(实验误差分析)如图所示为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。 现有的器材：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)(多选)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有___A__D___。(填
选项字母)
A．米尺
B．秒表
C．0～12 V 的直流电源
法消除系统误差，故选项 C 对。(5)在重物下落 h 的过程中，若阻力 f 恒定，由 动能定理得，mgh－fh＝m2v2，解得 v2＝2g－mf h，故 v2—h 图象是一条过原点 的直线，但还要看图线的斜率是否在误差允许的范围内接近 2g，才能用该法验 证机械能守恒定律。
验证机械能守恒实验题多是对教材实验或常见练习题进行器材和装置 的改换而成，解决此类问题的思路是从机械能守恒的方程出发，按照题目的 要求，进行补给的设计或有关量的测量。
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＝12gt2n或 hn ＝v2n计算得到。
2g
6．误差分析 (1)本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点 计时器阻力)做功，故动能的增加量 ΔEk 稍小于重力势能的减少量 ΔEp，即 ΔEk ＜ΔEp，这属于系统误差。改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。 (2)本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差。 减小误差的办法是测下落距离时都从 O 点量起，一次将各打点对应的下 落高度测量完，或者多次测量取平均值。 (3)打点计时器产生的误差。 ①由于交流电周期的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差。 ②计数点选择不好，振动片振动不均匀，纸带放置方法不正确引起摩擦， 造成实验误差。
A．利用公式 v＝gt 计算重物速度 B．利用公式 v＝ 2gh计算重物速度 C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响 D．没有采用多次实验取平均值的方法
(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点， 测量它们到起始点 O 的距离 h，计算对应计数点的重物速度 v，描述 v2—h 图 象，并做如下判断：若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守 恒。请你分析论证该同学的判断依据是否正确。
典|例|微|探 【例 1】 用图甲装置做“验证机械能守恒定律”实验。
甲
(1) 为 验 证 机 械 能 是 否 守 恒 ， 需 要 比 较 重 物 下 落 过 程 中 任 意 两 点 间 的
___A_____。(填选项字母，下同)
A．动能变化量与势能变化量
B．速度变化量与势能变化量
C．速度变化量与高度变化量
若速度由 vA 变为 vB，应有 mghAB＝
12mv2B－12mvA2
。
(2)如图所示，借助电火花计时器打出的纸带，测出物体自由下落的高度 h 和该时刻的速度 v。打第 n 个计数点时的瞬时速度等于以该时刻为中间时刻的 某一段时间内的平均速度，即 vn＝xn＋2Txn＋1或 vn＝hn＋12－Thn－1。(T 为相邻计数 点间的时间间隔)
题|组|冲|关 1.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 0.05 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 g 取 9.8 m/s2，小球质量 m＝0.200 kg， 结果均保留三位有效数字)：
时刻Leabharlann t2t3t4 t5 t6
考点·深度研析
核心考点 分层突破
考点 1 实验原理和数据处理 考|点|速|通
数据处理的方法 方法一：用12mv2＝mgh 验证时，利用起始点和第 n 点计算。 方法二：用12mvB2 －12mv2A＝mgΔh 验证时，任取两点计算。 方法三：图象法。从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的 下落高度 h，并计算各点速度的平方 v2，然后以12v2 为纵轴，以 h 为横轴， 根据实验数据绘出12v2－h 图线。若在误差允许的范围内图线是一条过原点 且斜率为 g 的直线，则验证了机械能守恒定律。
(4)测量下落高度时，为了减小测量值 h 的相对误差，选取的各个计数点 要离起始点远一些，纸带也不易过长，有效长度可在 60～80 cm 之间。
(5)速度不能用 vn＝gtn 或 vn＝ 2ghn计算，因为只要认为加速度为 g，机 械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用 vn ＝gtn 计算出的速度比实际值大，会得出机械能增加的错误结论，而因为摩擦 阻力的影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算。同样的道
该同学的判断依据不正确，在重物下落 h 的过程中，若阻力 f 恒定，根
据动能定理得，mgh－fh＝12mv2－0 得，v2＝2g－mf h 可知，v2—h 图象 就是过原点的一条直线。要想通过 v2—h 图象的方法验证机械能是否守 恒，还必须看图象的斜率是否接近 2g __________________________________________________________________。
解析 (1)只需要比较重物下落过程中，任意两点间的动能变化量与势能变 化量是否相等，即可验证机械能是否守恒，故选 A 项。(2)打点计时器需要接交 流电源，故选 A 项；还需要用刻度尺测量重物下落的高度，故还要选 B 项。(3) 从打 O 点到打 B 点的过程中，重物的重力势能减少 mghB，变化量为－mghB； 打 B 点的速度 vB＝hC2－ThA，动能 Ek＝m2v2B，联立解得 Ek＝12mhC2－ThA2，故动能 变化量 ΔEk＝Ek－0＝12mhC2－ThA2。(4)由于存在空气阻力和摩擦阻力的影响，导 致重力势能的减少量大于动能的增加量，产生系统误差，多次实验取平均值无
B．应选用质量较小的重物，使重物的惯性小一些，下落时更接近于自 由落体运动
C．不需要称量重物的质量 D．必须称量重物的质量，而且要估读到 0.01 g
解析 本实验依据的原理是用重物自由下落验证机械能守恒定律，因 此重物的质量应取得大一些，以便系统所受的阻力和重物的重力相比可以 忽略不计，以保证重物做自由落体运动。对做自由落体运动的物体来说， 物体的机械能守恒，即重力势能的减小量等于其动能的增加量，设物体质 量为 m，下落高度为 h 时的速度为 v，则有12mv2＝mgh，约去 m 后，有 v2 ＝2gh。分别计算对应的 v2 和 2gh，即可验证机械能守恒定律是否成立。故 选 A、C 两项。
(判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。) 1．空气阻力会对此实验产生影响。( √ ) 2．实验中若没有打出速度为零的点，将无法验证机械能守恒定律。( × )
1．(实验原理和操作)(多选)在“验证机械能守恒定律”的实验中，有关 重物的质量，下列说法正确的是( )
A．选用质量较大的重物，使重物和纸带所受的重力远大于它们所受的 阻力
必考部分
第五章 机械能及其守恒定律
第6讲 实验：验证机械能守恒定律
基础·全面落实 考点·深度研析 真题·实战演练
基础·全面落实
教材回扣 基础自测
验证机械能守恒定律 1．实验目的 验证机械能守恒定律。 2．实验原理 (1)当只有重力做功时，物体的 动能 和 重力势能 发生相互转化， 但机械能的总量保持不变。据此，做自由落体运动的物体，只受重力作用，其 机械能是守恒的。质量为 m 的物体自由下落，位置从 A 到 B 下降 h 高度时，
已知当地重力加速度为 g，打点计时器打点的周期为 T。设重物的质量为 m。从打 O 点到打 B 点的过程中，重物的重力势能变化量 ΔEp＝ ____－__m__g_h_B____，动能变化量 ΔEk＝___12_m__h_C_2－_T_h_A__2_。
(4)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量， 原因是____C____。
D．0～12 V 的交流电源
(2)实验中误差产生的原因有 纸_带__和___打__点__计__时__器__之__间__有__摩__擦__；__用__米__尺__测__量__纸__带__上__点___的__位__置__时__读__数__有__误__差
(答出两个原因)。
解析 本题意在考查考生对“验证机械能守恒定律”实验原理的理解，并 能正确分析实验误差的来源。
解析 (1)在匀变速直线运动中，中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平 均速度，所以可得 v5＝h42＋Th5＝19.140＋.121.66×10－2 m/s＝4.08 m/s。
(2)根据重力做功和重力势能的关系可得 ΔEp＝mg(h2＋h3＋h4)≈1.42 J；t2 时刻的速度 v2＝h12＋Th2＝26.680＋.129.18×10－2 m/s≈5.59 m/s，故动能减小量 ΔEk＝12mv22－12mv25≈1.46 J。
(1)打点计时器使用的电源为交流电源，故应选取 0～12 V 的交流电源，D 项正确；利用米尺测量纸带上各点间的距离，A 项正确；本实验中利用打点计 时器作为计时工具，所以不需要秒表，B 项错误。
(2)实验误差的来源主要是由于下落过程中纸带与打点计时器间有摩擦， 需要克服摩擦力做功，以及用米尺测量数据时读数有误差。
(3)因为存在空气阻力，需克服阻力做功消耗机械能，故减小的动能要大 于重力势能的增加量。
2.如图甲所示是用“落体法”验证机械能守恒定律的实验装置。(g 取 9.80 m/s2)
甲
(1)选出一条纸带如图乙所示，其中 O 点为打点计时器打下的第一个点， A、B、C 为三个计数点，打点计时器通以频率为 50 Hz 的交变电流。用分度 值为 1 mm 的刻度尺测得 OA＝12.41 cm，OB＝18.90 cm，OC＝27.06 cm，在 计数点 A 和 B、B 和 C 之间还各有一点，重锤的质量为 1.00 kg。甲同学根据 以上数据算出：当打点计时器打到 B 点时重锤的重力势能比开始下落时减少 了___1_._8_5__ J；此时重锤的速度 vB＝__1_._8_3___m/s，此时重锤的动能比开始下 落时增加了__1_._6_7___ J。(结果均保留三位有效数字)