【物理】2018届一轮复习人教版第5章实验6　验证机械能守恒定律教案

【物理】2018届一轮复习人教版第5章实验6　验证机械能守恒定律教案

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)．‎ 考点一| 实验原理与操作 ‎[母题]　在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，电源的频率为50 Hz，依次打出的点为0,1,2,3,4…n.则：‎ 图实61‎ ‎(1)如用第2点到第6点之间的纸带来验证，必须直接测量的物理量为_______________、___________________、_________________，必须计算出的物理量为_____________、________________，验证的表达式为___________．‎ ‎(2)下列实验步骤操作合理的排列顺序是________．(填写步骤前面的字母)‎ A．将打点计时器竖直安装在铁架台上 B．先接通电源，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．将重物固定在纸带的一端，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的高度h1，h2，h3，…hn，计算出对应的瞬时速度v1，v2，v3，…vn F．分别算出mv和mghn，在实验误差范围内看是否相等 ‎【解析】　(1)要验证从第2点到第6点之间的纸带对应重物的运动过程中机械能守恒，应测出第2点到第6点的距离h26，要计算第2点和第6点的速度v2和v6，必须测出第1点到第3点之间的距离h13和第5点到第7点之间的距离h57，机械能守恒的表达式为mgh26＝mv－mv.‎ ‎(2)实验操作顺序为ADBCEF.‎ ‎【答案】　(1)第2点到第6点之间的距离h26‎ 第1点到第3点之间的距离h13‎ 第5点到第7点之间的距离h57‎ 第2点的瞬时速度v2　第6点的瞬时速度v6‎ mgh26＝mv－mv ‎(2)ADBCEF ‎[借题悟法·核心点拨]‎ ‎1.实验原理的理解[第(1)问]‎ ‎(1)两种验证方法 ‎①利用起始点和第n点计算．代入ghn和v，如果在实验误差允许的条件下，ghn＝v，则机械能守恒定律是正确的.‎ ‎②任取两点计算 ⅰ)任取两点A、B，测出hAB，算出ghAB.‎ ⅱ)算出v－v的值.‎ ⅲ)在实验误差允许的条件下，如果ghAB＝v－v，则机械能守恒定律是正确的.‎ ‎(2)不需要测量重物质量m.‎ ‎2.实验操作步骤[第(2)问]‎ 安装→穿纸带→打纸带→处理数据.‎ ‎[母题迁移]‎ ‎(2017·广东高三联考)(1)在利用重锤做自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，有关重锤的质量，下列说法正确的是(　　)‎ A．应选用质量较大的重锤，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．不需要称量重锤的质量 D．必须称量重锤的质量 ‎(2)在该实验中，选定了一条较为理想的纸带，如图实62所示，“0”为起始点，以后纸带上所打的各点依次记为1、2、3…，测得的x1、x2、x3…是重锤从开始运动到各时刻的位移．已知打点计时器的打点周期为T，重锤质量为m，重力加速度为g，则当打点计时器打点“4”时，重锤动能的表达式为________________；从“0”点到“4”点的过程中重锤重力势能的减少量表达式为______________________________________________________________．‎ 图实62‎ ‎【解析】　(1)实验时选择质量较大的重锤，使得重力远大于阻力，使得阻力的影响可以忽略，故A正确；物体做自由落体运动与其质量和惯性无关，故B错误；因为我们是比较mgh和mv2的大小关系，故m可约去比较，不需要测出质量，故C正确，D错误．‎ ‎(2)4点的瞬时速度：v4＝，则打点计时器打点“4”时，重锤动能的表达式为：Ek4＝mv＝；从“0”点到“4”点的过程中重锤重力势能的减少量表达式为：ΔEp＝mgx4.‎ ‎【答案】　(1)AC　(2)　ΔEp＝mgx4‎ 考点二| 数据处理与误差分析 ‎[母题]　(2017·孝感高三冲刺卷)用如图实63甲实验装置验证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．如图实63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个打下的点(图中未标出)，计数点间的距离如图所示．已知m1＝50 g、m2＝150 g，则(计算结果保留两位有效数字)‎ 甲　　　　　　　　　　　　丙 乙 图实63‎ ‎(1)在纸带上打下计数点5时的速度v5＝________m/s.‎ ‎(2)在计数点0～5过程中系统动能的增量ΔEk＝________J．为了简化计算．g取10 m/s2，则系统势能的减少量ΔEp＝________J.‎ ‎(3)实验结果显示ΔEp>ΔEk，那么造成这一现象的主要原因是______________________________________________________________‎ ‎______________________________________________________________.‎ ‎(4)在本实验中，若某同学作出了v2h图象，如图丙，h为从起点量起的长度，则据此得到当地的重力加速度g＝________m/s2.‎ ‎【解析】　(1)v5＝ m/s＝2.4 m/s.‎ ‎(2)ΔEk＝(m1＋m2)v－0＝0.58 J ΔEp＝m2gh5－m1gh5＝0.60 J.‎ ‎(3)因空气阻力、纸带与限位孔间的阻力、滑轮轴间阻力做负功，使系统重力势能的减少量大于系统动能的增加量．‎ ‎(4)由(m2－m1)gh＝(m1＋m2)v2知＝ 即图线的斜率k＝＝ 解得g＝9.7 m/s2.‎ ‎【答案】　(1)2.4　(2)0.58　0.60　(3)见解析　(4)9.7‎ ‎[借题悟法·核心点拨]‎ ‎1.考查利用纸带求重物速度[第(1)问]‎ 计算公式：v＝.‎ ‎2.考查数据处理方法[第(2)问]‎ ‎(1)系统动能的增加量ΔEk＝(m1＋m2)v.‎ ‎(2)系统重力势能的减少量ΔEp＝(m2－m1)gh5.‎ ‎(3)注意计算结果的有效数字要求.‎ ‎3.考查实验误差分析[第(3)问]‎ 因空气阻力、纸带与限位孔间的阻力、滑轮轴间阻力做负功，使系统重力势能的减少量大于系统动能的增加量.‎ ‎4.利用h图象处理数据[第(4)问]‎ 由(m1＋m2)v2＝(m2－m1)gh，‎ (m1＋m2)＝m2－m1可知，＝h.‎ 故h图线的斜率k＝.‎ ‎[母题迁移]‎ ‎(2016·北京高考)利用图实64装置做“验证机械能守恒定律”实验．‎ 图实64‎ ‎(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．动能变化量与势能变化量 B．速度变化量和势能变化量 C．速度变化量和高度变化量 ‎(2)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．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，得到图实65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＝________，动能变化量ΔEk＝________.‎ 图实65‎ ‎(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________．‎ A．利用公式v＝gt计算重物速度 B．利用公式v＝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，描绘v2h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. ‎ ‎【导学号：92492250】‎ ‎【解析】　(1)在“验证机械能守恒定律”实验中，重物下落，重力势能减少，动能增加，要验证机械能是否守恒，需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大小是否相等，故选A.‎ ‎(2)实验时用到电磁打点计时器，则必须使用交流电源．在计算动能和势能变化量时，需用刻度尺测量位移和重物下落高度．在比较动能变化量和势能变化量是否相等时需验证m(v－v)＝mgh是否成立，而等式两边可约去质量m，故不需要天平．故选A、B.‎ ‎(3)从打O点到打B点的过程中，重物下落hB，重力势能减少，则重物的重力势能变化量ΔEp＝－mghB.动能增加，则动能的变化量ΔEk＝mv－0＝m2－0＝m2.‎ ‎(4)重物在下落过程中，除受重力外还存在空气阻力和摩擦阻力的影响，重物的重力势能要转化为重物的动能和内能，则重力势能的减少量大于动能的增加量，选项C正确．‎ ‎(5)不正确．v2h图象为一条直线，仅表明物体所受合力恒定，与机械能是否守恒无关．例如，在本实验中若存在恒定阻力，则物体的机械能不守恒，但mgh－fh＝mv2，v2＝2h，v2h为一条过原点的直线，故该同学判断不正确．要想通过v2h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.‎ ‎【答案】　(1)A　(2)A、B　(3)－mghB　m2‎ ‎(4)C　(5)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mgh－fh＝mv2－0得v2＝2h可知，v2h图象就是过原点的一条直线．要想通过v2h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 考点三| 实验拓展与创新 ‎●创新点1　利用平抛运动验证机械能守恒定律 ‎1．(2017·德州模拟)如图实66所示的装置可用来验证机械能守恒定律．摆锤A拴在长为L的轻绳一端，轻绳另一端固定在O点，在A上放一个质量很小的小铁块，现将摆锤拉起，使绳与竖直方向成θ角，由静止开始释放摆锤，当其到达最低位置时，受到竖直挡板P 的阻挡而停止运动，之后铁块将飞离摆锤做平抛运动．‎ 图实66‎ ‎(1)为了验证摆锤在运动过程中机械能守恒，必须求出摆锤在最低点的速度．为了求出这一速度，还应测量的物理量有________．‎ ‎(2)用测得的物理量表示摆锤在最低点的速度v＝________.‎ ‎(3)用已知的和测得的物理量表示摆锤在运动过程中机械能守恒的关系式为________________. ‎ ‎【导学号：92492251】‎ ‎【解析】　设摆锤质量为m，重力对摆锤做功为W＝mgL(1－cos θ)，摆锤在最低点的速度可以用平抛运动的知识求解，h＝gt2，s＝vt，解得v＝s，为了求出摆锤在最低点的速度，实验中还应测量的物理量有：摆锤遇到挡板之后铁块的水平位移s和竖直下落高度h.由mgL(1－cos θ)＝mv2可知，表示摆锤在运动过程中机械能守恒的关系式为＝L(1－cos θ)．‎ ‎【答案】　(1)摆锤遇到挡板之后铁块的水平位移s和竖直下落高度h ‎(2)s　(3)＝L(1－cos θ)‎ ‎●创新点2　利用竖直上抛运动验证机械能守恒定律 ‎2．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，如图实67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．(当地重力加速度取9.8 m/s2，小球质量m＝0.2 kg，结果保留3位有效数字)‎ 图实67‎ 时刻 t2‎ t3‎ t4‎ t5‎ 速度(m/s)‎ ‎4.99‎ ‎4.48‎ ‎3.98‎ ‎(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5＝________m/s；‎ ‎(2)从t2到t5时间内，重力势能增量ΔEp＝________J，动能减少量ΔEk＝________J；‎ ‎(3)在误差允许的范围内，若ΔEp与ΔEk近似相等，即可验证了机械能守恒定律．由上述计算得ΔEp________ΔEk(选填“>”“<”或“＝”)，造成这种结果的主要原因是 ‎______________________________________________________________‎ ‎______________________________________________________________‎ ‎______________________________________________________________.‎ ‎【解析】　(1)v5＝×10－2 m/s＝3.48 m/s；‎ ‎(2)重力势能的增量ΔEp＝mgΔh，代入数据可得ΔEp＝1.24 J，动能减少量为ΔEk＝mv－mv，代入数据可得ΔEk＝1.27 J；‎ ‎(3)由计算可得ΔEp<ΔEk，主要是由于存在空气阻力．‎ ‎【答案】　(1)3.48　(2)1.24　1.27 (3)<　存在空气阻力 ‎●创新点3　利用光电门测速度验证机械能守恒定律 ‎3．利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图实68甲所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨：导轨上A点处有一带长方形遮光条的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的小球相连；遮光条两条长边与导轨垂直；导轨上B 点有一光电门，可以测量遮光条经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到光电门B处的距离，b表示遮光条的宽度，将遮光条通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度．实验时滑块在A处由静止开始运动．‎ 甲　　　　　　　　　乙　　　　　　　　丙 图实68‎ ‎(1)用游标卡尺测量遮光条的宽度b，结果如图乙所示，由此读出b＝________mm；‎ ‎(2)滑块通过B点的瞬时速度可表示为________；‎ ‎(3)某次实验测得倾角θ＝30°，重力加速度用g表示，滑块从A处到达B处时，m和M组成的系统动能增加量可表示为ΔEk＝________，系统的重力势能减少量可表示为ΔEp＝________，在误差允许的范围内，若ΔEk＝ΔEp则可认为系统的机械能守恒；‎ ‎(4)在上次实验中，某同学改变A、B间的距离，作出的v2d图象如图丙所示，并测得M＝m，则重力加速度g＝________m/s2.‎ ‎【解析】　(1)b＝3 mm＋0.05 mm×15＝3.75 mm.‎ ‎(2)滑块通过B点的瞬时速度v＝.‎ ‎(3)ΔEk＝(m＋M)v2＝ ΔEp＝mgd－Mgdsin 30°＝gd.‎ ‎(4)由ΔEk＝ΔEp得：(m＋M)v2＝gd 代入m＝M可得：v2＝d 对应v2d图象可得：g＝ 解得g＝9.6 m/s2.‎ ‎【答案】　(1)3.75　(2)　(3) gd　(4)9.6‎ ‎●创新点4　利用滑轮系统验证机械能守恒定律 ‎4．(2017·珠海模拟)用如图实69所示装置可验证机械能守恒定律，轻绳两端系着质量相等的物块A、B，物块B上放一金属片C，铁架台上固定一金属圆环，圆环处在物块B的正下方．开始时，金属片C与圆环间的高度为h，A、B、C由静止开始运动．当物块B穿过圆环时，金属片C被搁置在圆环上，两光电门分别固定在铁架台P1、P2处，通过数字计时器可测出物块B从P1旁运动到P2旁所用时间t，已知重力加速度为g.‎ 图实69‎ ‎(1)若测得P1、P2之间的距离为d，则物块B刚穿过圆环后的速度v＝________.‎ ‎(2)若物块A、B的质量均用M表示，金属片C的质量用m表示，该实验中验证了下面选项________中的等式成立，即可验证机械能守恒定律．‎ A．mgh＝Mv2　　 B．mgh＝Mv2‎ C．mgh＝(2M＋m)v2 D．mgh＝(M＋m)v2‎ ‎(3)本实验中的测量仪器除了刻度尺、数字计时器外，还需要________．‎ ‎(4)改变物块B的初始位置，使物块B从不同的高度由静止下落穿过圆环，记录每次金属片C与圆环间的高度h以及物块B从P1旁运动到P2旁所用时间t，则以h为纵轴，以________(填“t2”或“”)为横轴，通过描点作出的图线是一条过原点的直线，该直线的斜率k＝________(用m、g、M、d表示)．‎ ‎【解析】　(1)A、B两物块质量相等，当物块B通过圆环、金属片C被搁置在圆环上后，A、B均做匀速直线运动，故v＝.‎ ‎(2)A、B、C从开始运动至金属片C 被搁置在圆环上的过程中，系统损失的重力势能为ΔEp＝mgh，系统增加的动能为ΔEk＝(2M＋m)v2，只要ΔEp＝mgh＝ΔEk＝(2M＋m)v2，即可验证机械能守恒定律，C正确．‎ ‎(3)从第(2)问验证的表达式分析，速度可由v＝求解，质量需要用天平来测量．‎ ‎(4)将v＝代入mgh＝(2M＋m)v2得mgh＝‎ (2M＋m)()2，即h＝，所以应以为横轴，h图线的斜率为k＝.‎ ‎【答案】　(1)　(2)C　(3)天平　(4)　 视角1：实验器材、装置的改进 ‎　　‎ ‎　　‎ 视角2：速度测量方法的改进 由光电门计算速度测量纸带上各点速度 视角3：实验方案的改进 例如：利用竖直上抛运动的闪光照片验证机械能守恒定律．‎