1、【 精品教育资源文库 】 实验六 验证机械能守恒定律 考纲要求 考情分析 命题趋势 验证机械能守恒定律 2017 天津卷，9(2) 2016 全国卷 ，22 本实验在全国高考考查频率较高，应给予足够重视，要理解其实验原理，注意该实验的改进创新，这也是高考的重点，要会根据机械能守恒定律灵活分析 知识梳理 夯实基础 一、实验目的 验证机械能守恒定律 二、实验原理 1在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能互相转化，但总的机械能保持不变若物体某时刻瞬时速度为 v，下落高度为 h，则重力势能的减少量为 mgh，动能的增 加量为 12mv2，看它们在实验误差允许的范围内是否相等，若相等，则
2、验证了机械能守恒定律 2计算打第 n 个点时速度的方法：如图所示，由公式可得第 n 个点的速度 vn hn 1 hn 12T . 三、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 ) 四、实验过程 1安装置：按图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路 2打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，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在靠近打点计时器的地方先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸【 精品教育资源文库 】 带自由下落 更换纸带重复做 3 5 次实验 3选纸带：在打好点的纸带中挑选点迹清晰的一条
3、纸带，在起点标上 0，以后各点依次标上 1、 2、 3、 4? 用刻度尺测出对应下落高度 h1、 h2、 h3、 h4? 五、数据处理 1求瞬时速度 由公式 vn hn 1 hn 12T 可以计算出重物下落 h1、 h2、 h3? 的高度时对应的瞬时速度 v1、v2、 v3? 2验证守恒 方法一：利用起始点和第 n 点计算，代入 ghn和 12v2n，如果在实验误差允许的范围内， ghn 12v2n，则说明机械能守恒定律是正确的 方法二：任取两点 A、 B 测出 hAB，算出 ghAB和 ? ?12v2B12v2A 的值，如果在实验误差允许的范围内， ghAB 12v2B 12v2A，则说明机
4、械能守恒定律是正确的 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象是一条过原点且斜率为 g 的直线，则验证了机械能守恒 六、误差分析 1系统误差：本实验中因重锤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 Ek稍小于重力势能的减少量 Ep，即 Ek Ek，所以空气阻力会造成 Ep Ek，但表中为 Ek Ep，因此不同意他的观点 (4)钢球球心和遮光条都绕悬点做圆周运动，但运动半径不同，因此分别测出光
5、电门和球心到悬点的长度 L 和 l，遮光条在光电门处的速度 v dt，则钢球的速度 v vL l，可以减小表中差异 对应演练 迁移运用 1.如图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图 现有的器材为带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带夹子的重锤、天平回答下列问题： (1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有 _AD_.(填入正确选项前的字母 ) A刻度尺 B秒表 C 0 12 V 的直流电源 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；用刻度尺测量长度时读数有误差 _.(写出两个原因 ) 解析 本实验需测量长度，但不 需要计时，选项 A 正
6、确， B 错误；打点计时器需要用交流电源，选项 C 错误，选项 D 正确 (2)摩擦和长度测量读数问题是产生误差的主要原因 2小张同学准备做 “ 验证机械能守恒定律 ” 实验，小李同学准备做 “ 探究加速度与力、质量的关系 ” 实验 【 精品教育资源文库 】 (1)图甲中 A、 B、 C、 D、 E 表示部分实验器材，小张同学需要在图中选用的器材 _AB_；小李同学需在图中选用的器材 _BDE_.(用字母表示 ) (2)小李同学在实验室选齐所需器材后，经正确操作获得如图所示的两条纸带 和 .纸带 _ _的加速度大 (选填 “” 或 “”) ，其加速度大小为 _2.5_m/s2(2.3 2.7
7、_m/s2均可 )_. 解析 (1)要采用落体法做 “ 验证机械能守恒定律 ” 实验，需要下落的重物 A 和计时用的打点计时器 B；要做 “ 探究加速度与力、质量关系 ” 实验，需要研究对象小车 D，拉动小车的钩码 E 及计时用的打点计时器 B (2) 纸带 的加速度大小为 a1 x5 x4 ?x3 x2?4T2 ?38.10 34.20? ?34.20 30.70?10 240.02 2 m/s2 2.5 m/s2，纸带 的加速度大小为 a2x5 x4 ?x3 x2?4T2 ?35.90 32.35? ?32.35 29.00?10 240.02 2 m/s2 1.25 m/s2，因此纸带
8、的加速度大，大小为 2.5 m/s2. 3 (2017 上海浦东模拟 )用如图甲所示的实验装置验证 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如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，每相邻两计数点间还有 4 个点 (图中未标出 )，所用电源的频率为 50 Hz，计数点间的距离如图乙所示已知 m1 50 g、 m2 150 g，则： (结果均保留两位有效数字 ) 【 精品教育资源文库 】 (1)在纸带上打下计数点 5 时的速度 v5 _2.4_m/s； (2)在打下第 0 点到
9、打下第 5 点的过程中系统动能的增量 Ek _0.58_J，系统重力势能的减少量 Ep _0.60_J； (取当地的重力加速度 g 10 m/s2) (3)若某同学作出 12v2 h 图象如图丙所示，则当地的重力加速度 g _9.7_m/s2. 解析 (1)v5 ?21.60 26.40?10 20.12 m/s 2.4 m/s， (2) Ek 12(m1 m2)v25 00.58 J ， Ep m2gh5 m1gh5 0.60 J. (3)由 (m2 m1)gh 12(m1 m2)v2知 v22?m2 m1?ghm1 m2 ， 即图线的斜率 k ?m2 m1?gm1 m2 5.821.20，
10、 解得 g 9.7 m/s2. 4利用图甲装置做 “ 验证机械能守恒定律 ” 实验 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_. A动能变化量与势能变化量 【 精品教育资源文库 】 B速度变化量与势能变化量 C速度变化量与高度变化量 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 _AB_. A交流电源 B刻度尺 C天平 (含砝码 ) 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. 已知当地重力
11、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 Ep _ mghB_，动能变化量 Ek _12m? ?hC hA2T2_. 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_. 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 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，描绘 v2 h 图象，并做如下判断：若图象是一条过原点的直线，则
12、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 解析 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 打点计时器需要接交流电源，故选 A；还需要用刻度尺测量重物下落的高度，故还要选 B 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 hC hA2T ，动能 Ek mv2B2 ，联立解得 Ek12m?hC hA2T2，故动能变化量 Ek Ek 012m(hC hA2T )2. 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 验取平均值无法消除系统误差，故选项 C 正确 在重物下落 h 的过程中，若阻力 Ff恒定，由动能定理得， mgh Ffh mv22 ，【 精品教育资源文库 】 解得 v2 2(g Ffm)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 答案 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，由 mghfh 12mv2 0 得， v2 2(g fm)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.
