2014届物理一轮复习教学案-验证机械能守恒定律

南京化学工业园区·史献计工作室制作 2014届高中物理一轮复习学案·机械能 第 1 页 共 5 页

验证机械能守恒定律

一．考点整理 实验过程

1．实验原理：通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律．

2．实验目的：验证机械能守恒定律．

3．实验器材： 、电源、纸带、复写纸、重物、

、铁架台（附夹子）、导线、开关

4．实验步骤：

⑴ 按照装置图组装实验装置，检查、调整好打点计时器，使其

固定在铁架台上，接好电路．

⑵ 打纸带：将纸带的一端用 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 打点计时器的地方，先 ，后

，让重物带着纸带自由下落．更换纸带重复做3 – 5 次．

⑶ 选纸带：分别两种情况 ① 用21mvn2 =mghn验证时，应选点迹清晰，且尽量在同一条直线上；② 用21mvA2–21mvA2 =mgΔh验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，只要后面的点迹清晰就可选用．

5．实验结论：在误差允许的范围内，自由落体过程机械能守恒．

6．误差分析：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功．故动能的增加量ΔEk = 12mvn2必定

势能的减少量ΔEp = mghn，改进办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力．减少误差的方法一是测下落距离时都从 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．

7．注意事项：① 打点计时器要竖直：安装打点计时器时要 架稳，使其两限位孔在同一

内以减少摩擦阻力；② 重物密度要大：重物应选用质量大、体积小、密度大的材料；③ 一先一后：应先 ，让打点计时器正常工作，后 让重物下落；④ 测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn = (dn+1 – dn–1)/2T，不能用vn = 2gdn或vn = gt来计算．

二．思考与练习 思维启动

1．在验证机械能守恒定律的实验中有关重锤质量，下列说法中正确的是 （ ）

A．应选用密度和质量较大的重锤，使重锤和纸带所受的重力远大于它们所受的阻力

B．应选用质量较小的重锤，使重锤的惯性小一些，下落时更接近于自由落体运动

C．不需要称量锤的质量

D．必须称量重锤的质量，而且要估读到0.01g

2．某同学利用透明直尺和光电计时器来验证机械能守恒定律，实验的简易示意图如图所示，当有不透光物体从光电门间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间．所用的XDS—007光电门传感器可测的最短时间为0. 01ms.将挡光效果好、宽度为d = 3.8×10－3m的黑色磁带贴在透明直尺上，从一定高度由静止释放，并使其竖直通过光电门．某同学测得各段黑色磁带通过光电门的时间Δti与图中所示的高度差Δhi并对部分数据进行处理，结果如下表所示．（取g = 9. 8m/s2，注：表格中M为直尺质量）

次数 Δti/10－3s vi = dti /m·s－1 ΔEki= 12Mv2i– 12Mv21 Δhi /m MgΔhi

1 1.21 3.14

2 1.15 3.30 0.52M 0.06 0.58M

3 1.00 3.78 2.29M 0.23 2.25M

4 0.95 4.00 3.17M 0.32 3.14M

5 0.90 0.41 ⑴ 从表格中数据可知，直尺上磁带通过光电门的瞬时速度是利用vi = d/ti求出的，请你简要分析该同学这样做的理由是

．

⑵ 请将表格中数据填写完整．

⑶ 通过实验得出的结论是 ．

⑷ 根据该实验请你判断下列ΔEk – Δh图象中正确的是

三．考点分类探讨

典型问题

〖考点1〗实验器材的选择及误差分析

【例1】做“验证机械能守恒定律”实验，完成下列问题：

⑴ 从下列器材中选出实验时所用的器材（填写编号）______________

A．打点计时器（包括纸带） B．重锤

C．天平

D．毫米刻度尺 E．秒表 F．运动小车

⑵ 打点计时器的安装要求________；开始打点计时的时候，应先________，然后__________．

⑶ 计算时对所选用的纸带要求是

．

⑷ 实验中产生系统误差的主要原因是________，使重锤获得的动能往往________．为减小误差，悬挂在纸带下的重锤应选择_______________________________________________________．

【变式跟踪1】用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”．

⑴ 下列物理量需要测量的是________，通过计算得到的是________（填写代号）

A．重锤质量 B．重力加速度

C．重锤下落的高度 D．与下落高度对应的重锤的瞬时速度

⑵ 设重锤质量为m、打点计时器的打点周期为T、重力加速度为g．图乙是实验得到的一条纸带，A、B、C、D、E为相邻的连续点．根据测得的x1、x2、x3、x4写出重锤由B点到D点势能减少量的表达式________，动能增量的表达式________．由于重锤下落时要克服阻力做功，所以该实验的动能增量总是________（选填“大于”、“等于”或“小于”）重力势能的减少量．

〖考点2〗实验数据的处理及分析

【例2】用如图甲所示实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒．M2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．图乙给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两个计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图乙所示．已知m1 = 50 g、m2= 150

g，则（g取10 m/s2，结果保留两位有效数字）

⑴ 在纸带上打下计数点5时的速度v5 = ________ m/s；

⑵ 在打点0～5过程中系统动能的增加量ΔEk＝________ J，系统势能的减少量ΔEp＝________ J，由此得出的结论是______________________；

⑶ 若某同学作出的v2/2–h图象如图所示，则当地的实际重力加速度g =

________ m/s2．

【变式跟踪2】某实验小组在做“验证机械能守恒定律”实验中，提出了如图所示的甲、乙两种方案：甲方案为用自由落体运动进行实验，乙方案为用小车在斜面上下滑进行实验． 南京化学工业园区·史献计工作室制作 2014届高中物理一轮复习学案·机械能 第 2 页 共 5 页

⑴ 组内同学对两种方案进行了深入的讨论分析，最终确定了一个大家认为误差相对较小的方案，你认为该小组选择的方案是____________，理由是________________________________________；

⑵ 若该小组采用图甲的装置打出了一条纸带如图所示，相邻两点之间的时间间隔为0.02 s，请根据纸带计算出B点的速度大小________m/s（结果保留二位有效数字）；

⑶ 该小组内同学们根据纸带算出了相应点的速度，作出v2 – h图线如图所示，请根据图线计算出当地的重力加速度g = ________m/s2（结果保留两位有效数字）．

四．考题再练 高考试题

1．【2013全国新课标理综】某同学利用下述装置对轻质弹簧的弹性势能进行探究：一轻质弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一小球接触而不固连；弹簧处于原长时，小球恰好桌面边缘，如图（a）所示．向左推小球，使弹簧压缩一段距离后由静止释放；小球离开桌面后落到水平地面．通过测量和计算．可求得弹簧被压缩后的弹性势能．回答下列问题：

⑴ 本实验中可认为，弹簧被压缩后的弹性势能Ep与小球抛出时的动能Ek相等．已知重力加速度大小为g．为求得Ek，至少需要测量下列物理量中的 （填正确答案标号）

A．小球的质量 B．小球抛出点到落地点的水平距离s

C．桌面到地面的高度h D．弹簧的压缩量△x E．弹簧原长l0

⑵ 用所选取的测量量和已知量表示Ek，得Ek=

；

⑶ 图（b）中的直线是实验测量得到的s –

△x图线．从理论上可推出，如果h不变，m增加，s - △x图线的斜率会

（选填“增大”、“减小”或“不变”）．如果m不变，h增加，s - △x图线的斜率会

（选填“增大”、“减小”或“不变”）．由图（b）中给出的直线关系和Ek的表达式可知，Ep与△x的 次方成正比．

【预测1】利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图所示：

⑴ 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，将导轨调至水平；

②

用游标卡尺测量挡光条的宽度l = 9.30 mm；

③ 由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离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所用的时间Δt1和Δt2；

⑥ 用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m．

⑵ 用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式：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）的总动能分别为Ek1 = ________和Ek2 = ________；③ 在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少ΔEp = ________（重力加速度为g）．