【解析版】高考物理实验专题特训(6)验证机械能守恒定律

实验六：验证机械能守恒定律

一.实验目的

验证机械能守恒定律。

二.实验器材

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)。

三.实验步骤及数据处理

1．安装置：按图实-6-2所示将检查.调整好打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路．

2．打纸带：将纸带一端用夹予固定在重物上，另一端穿过打点计时器限位孔。用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器地方．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．

3．选纸带：在打好点纸带中挑选点迹清晰且打点呈一条直线一条纸带．

4．数据处理：在起始点标上0，在以后各点依次标上l.2.3……用刻度尺测出对应下落高度h1.h2.h3……利用Thhvnnn211计算出点1.点2.点3.……瞬时速度v1，v2.v3.……

5．验证

方法一：利用起始点和第n点计算．代入221nnvgh和，如果在实验误差允许

条件下，221nnvgh则机械能守恒定律是正确．

方法二：任取两点计算.

(1)任取两点A.B测出hAB，算出ghAB．

(2)算出222121ABVV值．

(3)在实验误差允许条件下，如果222121BAABVVgh，则机械能守恒定律是正确．

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下落高度h，并计算各点速度平方V2。然后以221V为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出221V-h图线．若在误差允许范围内图象是一条过原点且斜率为g直线，则验证了机械能守恒．

四.注意事项

1．打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，以减小摩擦阻力．

2．重物要选用密度大.体积小物体，这样可以减小空气阻力影响，从而减小实验误差．

3．实验中，需保持提纸带手不动，且保证纸带竖直，待接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带．

4．测下落高度时，要从第一个打点测起，并且各点对应下落高度要一次性测量完．

5．可以不测出物体质量，只需验证221nnvgh。即可．

6．速度不能用nngtv或nnghv2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nngtv计算出速度比实际值大，会得出机械能增加结论，而因为摩擦阻力影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算．同样道理，重物下落高度h，也只能用刻度尺直接测量，而不能用gvhgthnnnn22122或计算得到．

五.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，故动能增加量△EK稍小于重力势能减少量△EP，即△EK<△EP，这属于系统误差．改进办法是调整器材安装，尽可能地减小阻力．

2．本实验另一个误差来源于长度测量，属偶然误差．减小误差办法是测下落距离时都从第一点0量起，一次性将各打点对应下落高度测量完，采用多次测量取平均值来减小误差．

考点一 实验原理与操作

[典例1] 在利用自由落体运动验证机械能守恒定律实验中，电源频率为50 Hz，依次打出点为0，1，2，3，4…n。则：

图实­6­1

(1)如用第2点到第6点之间纸带来验证，必须直接测量物理量为________.________.________，必须计算出物理量为________.________，验证表达式为________________。

(2)下列实验步骤操作合理排列顺序是________(填写步骤前面字母)。

A．将打点计时器竖直安装在铁架台上

B．接通电源，再松开纸带，让重物自由下落

C．取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验

D．将重物固定在纸带一端，让纸带穿过打点计时器，用手提着纸带

E．选择一条纸带，用刻度尺测出物体下落高度h1，h2，h3…hn，计算出对应瞬时速度v1，v2，v3…vn

F．分别算出12mvn2和mghn，在实验误差范围内看是否相等

[答案] (1)第2点到第6点之间距离h26

第1点到第3点之间距离h13

第5点到第7点之间距离h57

第2点瞬时速度v2

第6点瞬时速度v6

mgh26＝12mv62－12mv22

(2)ADBCEF

[考点总结·要点谨记]

1.实验原理理解[对应第1题]

1.两种验证方法

1利用起始点和第n点计算。代入ghn和12vn2，如果在实验误差允许条件下，ghn＝12vn2，则机械能守恒定律是正确。

2任取两点计算

①任取两点A.B，测出hAB，算出ghAB。

②算出12vB2－12vA2值。

③在实验误差允许条件下，如果ghAB＝12vB2－12vA2，则机械能守恒定律是正确。，2.不需要测量重物质量m。

2.实验操作步骤[对应第2题]

安装→穿纸带→打纸带→处理数据。

考点二 数据处理与误差分析

[典例2]“验证机械能守恒定律”实验装置如图实­6­4所示采用重物自由下落方法：

图实­6­4

(1)已知打点计时器所用电源频率为50 Hz，当地重力加速度g＝9.80

m/s2，所用重物质量为200 g。实验中选取一条符合实验要求纸带如图实­6­5所示，O为纸带下落起始点，A.B.C为纸带上选取三个连续点。

计算B点瞬时速度时，甲同学用vB2＝2gxOB，乙同学用vB＝xAC2T，其中所选方法正确是________(选填“甲”或“乙”)同学；根据以上数据，可知重物由O运动到B点时动能增加量等于________ J，重力势能减少量等于________ J(计算结果均保留3位有效数字)。

图实­6­5

(2)实验中，发现重物减少势能总是大于重物增加动能，造成这种现

象主要原因是__________________________________________________。

[答案] (1)乙 0.369 0.376 (2)克服空气对重物和打点计时器对

纸带阻力做功

[考点总结·要点谨记]

1.利用纸带求重物下落速度方法[对应第(1)题第1空]

(1)利用纸带确定物体速度方法：v＝x2T。

(2)重物下落加速度a＜g。

2.考查数据处理方法[对应第1题第2.3空]

1动能增加量ΔEk＝12mv22－12mv12。

2重力势能减少量ΔEp＝mgh。

3注意计算结果有效数字要求。

3.考查误差分析[对应第2题]

1实验结果出现ΔEp>ΔEk是正常现象，但差别不能过大。

2在实验过程中阻力做负功不可避免，这属于系统误差。

考点三 实验改进与创新

[典例3]利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图实­6­8所示：

图实­6­8

(1)实验步骤

①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，将导轨调到水平；

②用游标卡尺测量挡光条宽度l＝9.30 mm；

③由导轨标尺读出两光电门中心之间距离s＝______cm；

④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；

⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用时间Δt1和Δt2；

⑥用天平称出滑块和挡光条总质量M，再称出托盘和砝码总质量m。

(2)用表示直接测量量字母写出下列所示物理量表达式。

①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1＝________和v2＝________。

②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块.挡光条.托盘和砝码)总动能分别为Ek1＝__________和Ek2＝__________。

③在滑块从光电门1运动到光电门2过程中，系统势能减少ΔEp＝________(重力加速度为g)。

(3)如果ΔEp＝__________，则可认为验证了机械能守恒定律。

[答案] (1)③60.00(59.96～60.04)

(2)①lΔt1 lΔt2 ②12(M＋m)lΔt12 12(M＋m)lΔt22

③mgs (3)Ek2－Ek1

[考点总结·要点谨记]

1.实验器材创新[对应题图]

1利用光电门测出挡光条通过光电门时间Δt，从而利用v＝lΔt计算滑块通过光电门速度。

2利用气垫导轨代替长木板，减小阻力对实验结果影响。

2.实验数据处理创新[对应第23题]

将滑块.挡光条.托盘和砝码看做一个系统来验证系统机械能守恒。

3.本实验还可以从以下两个方面创新

1利用摆球进行验证，只需验证mgh＝12mv2即可。

2整个实验装置可以放在真空环境中操作，如用牛顿管和频闪照相进行验证，以消除由于空气阻力作用而带来误差。

1．在用打点计时器验证机械能守恒定律实验中，使质量为m＝1.00 kg重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列点，选取一条符合实验要求纸带如图8所示．O为第一个点，A.B.C为从合适位置开始选取连续点中三个点．已知打点计时器每隔0.02 s打一个点，当地重力加速度为g＝9.8

m/s2，那么：

图8

(1)在该实验中，下列各项描述正确是__________(多选题)

A．必须选用第1.第2两点相距约2 mm纸带，才能完成该验证实验

B．需要测量数据是纸带上起点O到各个计数点高度

C．必须要测量重锤质量

D．必须测量重锤下落时间

E．需要把打点计时器两限位孔尽量调到同一竖直线上

F．利用纸带测算出O点到各计数点重力势能减小，总是略大于测算出动能增加

(2)根据图中所得数据，应取图中O点到__________点来验证机械能守

恒定律；

(3)从O点到(2)问中所取点，重物重力势能减少量ΔEp＝________J，动能增加量ΔEk＝__________ J(结果取三位有效数字)；

(4)若测出纸带上所有各点到O点之间距离，根据纸带算出各点速度v及物体下落高度h，则以为纵轴，以h为横轴画出图象是图中________．

【答案】(1)BEF (2)B (3)1.88 1.84 (4)A

【解析】(1)A.选择纸带时并非一定1.2两点相距约2 mm，只要打点清晰即可，故A错误；实验中需要测量重锤下落高度以及下落到某点速度，因此需要测量数据是纸带上起点O到各个计数点高度，故B正确；因为我们是比较mgh.12mv2大小关系，故m可约去比较，不需要用天平，C错误；打点计时器记录了重锤下落时间，不需要测量时间，故D错误；

为减小摩擦阻力，需要调整打点计时器限位孔，使它在同一竖直线上，故E正确；

重锤下落过程中不可避免受到阻力作用，因此重力势能减小量大于动能增加量，故F正确．故选：BEF.

(2)验证机械能守恒时，我们验证是减少重力势能ΔEp＝12mgh和增加动能ΔEk＝之间关系，所以我们要选择能够测h和v数据，故选B点．

(3)减少重力势能：

ΔEp＝mgh＝1×9.8×19.2×10－2 J＝1.88 J，B点速度为：vB＝hAC2T＝23.23－15.55×10－2m2×0.02 s＝1.92 m/s