【步步高】2020年高考物理大一輪 實(shí)驗(yàn)六 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 新人教版必修2

實(shí)驗(yàn)六驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律二、實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，質(zhì)量為m的物體從O點(diǎn)自由下落，以地面作為零重力勢能面，如果忽略空氣阻力，下落過程中任意兩點(diǎn)A和B的機(jī)械能守恒即mvmghAmvmghB上式亦可寫成mvmvmghAmghB.圖1等式說明，物體重力勢能的減少等于動(dòng)能的增加為了方便，可以直接從開始下落的O點(diǎn)至任意一點(diǎn)(如圖1中A點(diǎn))來進(jìn)行研究，這時(shí)應(yīng)有：mvmgh，即為本實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)證的表達(dá)式，式中h是物體從O點(diǎn)下落至A點(diǎn)的高度，vA是物體在A點(diǎn)的瞬時(shí)速度三、實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，低壓交流電源，帶有鐵夾的鐵架臺(tái)，紙帶，復(fù)寫紙，帶夾子的重物，刻度尺，導(dǎo)線兩根四、實(shí)驗(yàn)步驟1安裝置：按圖2將檢查、調(diào)整好的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上，接好電路2打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方先接通電源，后松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落圖2更換紙帶重復(fù)做35次實(shí)驗(yàn)3選紙帶：分兩種情況說明(1)用mvmghn驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)選點(diǎn)跡清晰，且1、2兩點(diǎn)間距離略小于或接近2 mm的紙帶(2)用mvmvmgh驗(yàn)證時(shí)，由于重力勢能的相對(duì)性，處理紙帶時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，只要后面的點(diǎn)跡清晰就可選用五、數(shù)據(jù)處理方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)計(jì)算代入mghn和mv，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的條件下，mghn和mv相等，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律方法二：任取兩點(diǎn)計(jì)算(1)任取兩點(diǎn)A、B測出hAB，算出mghAB.(2)算出mvmv的值(3)在實(shí)驗(yàn)誤差允許的條件下，若mghABmvmv，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律方法三：圖象法從紙帶上選取多個(gè)點(diǎn)，測量從第一點(diǎn)到其余各點(diǎn)的下落高度h，并計(jì)算各點(diǎn)速度的平方v2，然后以v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出v2h圖線若在誤差允許的范圍內(nèi)圖線是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律六、誤差分析1本實(shí)驗(yàn)中因重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻力(如空氣阻力、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器阻力)做功，故動(dòng)能的增加量Ek稍小于重力勢能的減少量Ep，即Ek<Ep，這屬于系統(tǒng)誤差改進(jìn)的辦法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減小阻力2本實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)誤差來源于長度的測量，屬偶然誤差減小誤差的辦法是測下落距離時(shí)都從0點(diǎn)量起，一次將各打點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下落高度測量完，或者多次測量取平均值來減小誤差七、注意事項(xiàng)1打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要穩(wěn)定的固定在鐵架臺(tái)上，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器平面與紙帶限位孔調(diào)整在豎直方向，以減小摩擦阻力2應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對(duì)減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力減小3實(shí)驗(yàn)中，需保持提紙帶的手不動(dòng)，且保證紙帶豎直，待接通電源，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定后，再松開紙帶4測下落高度時(shí)，要從第一個(gè)打點(diǎn)測起，并且各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下落高度要一次測量完5速度不能用vngtn或vn計(jì)算，因?yàn)橹灰J(rèn)為加速度為g，機(jī)械能當(dāng)然守恒，即相當(dāng)于用機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，況且用vngtn計(jì)算出的速度比實(shí)際值大，會(huì)得出機(jī)械能增加的結(jié)論，而因?yàn)槟Σ磷枇Φ挠绊?，機(jī)械能應(yīng)該減小，所以速度應(yīng)從紙帶上直接測量計(jì)算同樣的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接測量，而不能用hngt或hn計(jì)算得到記憶口訣自由落體驗(yàn)守恒，阻力減小機(jī)械能.儀器固定豎直向，先開電源物后放.開頭兩點(diǎn)兩毫米，從頭驗(yàn)證式容易.不管開頭看清晰，任取兩點(diǎn)就可以.圖象驗(yàn)證也很好，關(guān)鍵記住兩坐標(biāo).例1某實(shí)驗(yàn)小組在做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)中，提出了如圖3所示的甲、乙兩種方案：甲方案為用自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，乙方案為用小車在斜面上下滑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)圖3(1)組內(nèi)同學(xué)對(duì)兩種方案進(jìn)行了深入的討論分析，最終確定了一個(gè)大家認(rèn)為誤差相對(duì)較小的方案，你認(rèn)為該小組選擇的方案是_，理由是_.(2)若該小組采用圖甲的裝置打出了一條紙帶如圖4所示，相鄰兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為0.02 s，請(qǐng)根據(jù)紙帶計(jì)算出B點(diǎn)的速度大小為_m/s.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)圖4(3)該小組內(nèi)同學(xué)根據(jù)紙帶算出了相應(yīng)點(diǎn)的速度，作出v2h圖線如圖5所示，請(qǐng)根據(jù)圖線計(jì)算出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭_m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)圖517.力學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的處理方法例2為了測定木塊與木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)，利用現(xiàn)有的器材：木板、木塊、彈簧測力計(jì)、刻度尺、秒表、砂桶與砂如圖6所示，有人設(shè)計(jì)了下面三種實(shí)驗(yàn)方案：(1)設(shè)法使木板靜止，增減右面砂桶內(nèi)的砂，使木塊在木板上勻速運(yùn)動(dòng)，并測出木塊、砂與砂桶的重力；(2)用手拉彈簧測力計(jì)保持其靜止、水平，然后用力F拉木板向左運(yùn)動(dòng)，并讀出彈簧測力計(jì)的示數(shù)，稱出木塊的重力；(3)把木板傾斜一定角度且固定，讓木塊從木板頂端由靜止釋放，使木塊加速滑到底端，并測出下滑時(shí)間及相應(yīng)各長度圖61如果這三個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作正確無誤，測動(dòng)摩擦因數(shù)最準(zhǔn)確而且最簡單的實(shí)驗(yàn)方案是_2試從實(shí)驗(yàn)原理上對(duì)每個(gè)方案作出簡要分析和評(píng)價(jià)方案(1)_ _；方案(2)_ _；方案(3) _.方法提煉設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目的解決步驟(1)找原型：把教材中的實(shí)驗(yàn)原型或者相關(guān)的物理理論知識(shí)在頭腦中完整、準(zhǔn)確地重現(xiàn)出來；(2)找差別：將實(shí)驗(yàn)中所給器材與實(shí)驗(yàn)原型中器材進(jìn)行對(duì)比，看一下少了什么器材或什么器材的量程不滿足要求，再看一個(gè)“多”給了什么器材，注意“多給”的器材往往就是解決問題的金鑰匙；(3)定原理：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于實(shí)驗(yàn)原理的設(shè)計(jì)，它是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的依據(jù)和起點(diǎn)，它決定了應(yīng)選用(或還需要)哪些實(shí)驗(yàn)器材，應(yīng)測量哪些物理量，如何編排實(shí)驗(yàn)步驟，而實(shí)驗(yàn)原理的設(shè)計(jì)又往往依賴于所提供的實(shí)驗(yàn)器材(條件)和實(shí)驗(yàn)要求，它們相輔相成，互為條件；(4)定方案：根據(jù)與原型實(shí)驗(yàn)對(duì)比的結(jié)果和確定的實(shí)驗(yàn)原理與器材，確定需要測量的物理量，來確定實(shí)驗(yàn)方案與步驟圖7跟蹤訓(xùn)練用如圖7實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒m2從高處由靜止開始下落，m1上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律如圖8給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶：0是打下的第一個(gè)點(diǎn)，每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)(圖中未標(biāo)出)，計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離已在圖中標(biāo)出已知m150 g、m2150 g，則(g取10 m/s2，結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)圖8(1)下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)操作步驟：A按照?qǐng)D示的裝置安裝器件B將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到直流電源上C先釋放m2，再接通電源打出一條紙帶D測量紙帶上某些點(diǎn)間的距離E根據(jù)測量的結(jié)果，分別計(jì)算系統(tǒng)減少的重力勢能和增加的動(dòng)能其中操作不當(dāng)?shù)牟襟E是_(填選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的字母)(2)在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v_m/s；(3)在打點(diǎn)05過程中系統(tǒng)動(dòng)能的增量Ek_ J，系統(tǒng)勢能的減少量Ep_J，由此得出的結(jié)論是_；(4)若某同學(xué)作出v2h圖象如圖9所示，寫出計(jì)算當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭的表達(dá)式_，并計(jì)算出當(dāng)?shù)氐膶?shí)際重力加速度g_m/s2.圖91下列關(guān)于“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)誤差的說法中，正確的是 ()A重物質(zhì)量的稱量不準(zhǔn)會(huì)造成較大誤差B重物質(zhì)量選用得大些，有利于減小誤差C重物質(zhì)量選用得小此，有利于減小誤差D若紙帶下落較打點(diǎn)早，會(huì)造成較大誤差2關(guān)于“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，以下說法正確的是 ()A實(shí)驗(yàn)中摩擦是不可避免的，因此紙帶越短越好，因?yàn)榧垘г蕉?，克服摩擦力做的功就越少，誤差就越小B實(shí)驗(yàn)時(shí)需稱出重物的質(zhì)量C紙帶上第1、2兩點(diǎn)間距若不接近2 mm，則無論怎樣處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)誤差都一定較大D處理打點(diǎn)的紙帶時(shí)，可以直接利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的實(shí)際點(diǎn)跡，而不必采用“計(jì)數(shù)點(diǎn)”的方法3用自由落體運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律時(shí)，某同學(xué)按照正確的操作得到如圖10所示的紙帶其中O點(diǎn)是起始點(diǎn)，A、B、C是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器連續(xù)打下的三個(gè)點(diǎn)，該同學(xué)用毫米刻度尺測量O點(diǎn)到A、B、C各點(diǎn)的距離，并記錄在圖中(單位：cm)圖10已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源頻率為50 Hz，重物質(zhì)量為m，當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭9.80 m/s2.(1)圖中的數(shù)據(jù)不符合有效數(shù)字讀數(shù)要求的是_(2)該同學(xué)用重物在OB段的運(yùn)動(dòng)來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，先計(jì)算出該段重物重力勢能的減少量為_，接著從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第一個(gè)點(diǎn)O數(shù)起，數(shù)到圖中B點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第9個(gè)點(diǎn)，他用vBgt計(jì)算和B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的重物的瞬時(shí)速度，得到動(dòng)能的增加量為_(均保留三位有效數(shù)字)這樣他發(fā)現(xiàn)重力勢能的減少量_(填“大于”或“小于”)動(dòng)能的增加量，造成這一錯(cuò)誤的原因是_.(3)若某同學(xué)所選的紙帶中，設(shè)打O點(diǎn)時(shí)釋放物體，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打A點(diǎn)時(shí)物體速度大小為v，該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中稱：測得v2.36 m/s，h27.73 cm，據(jù)此可得：v22.785 m2/s2，gh2.718 m2/s2.在誤差范圍內(nèi)兩者相等，即機(jī)械能守恒定律得證老師批閱：“數(shù)據(jù)非實(shí)驗(yàn)所得！”其理由是_.4如圖11為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖現(xiàn)有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺(tái)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶，帶鐵夾的重錘、天平回答下列問題：(1)為完成此實(shí)驗(yàn)，除了所給的器材外，還需要的器材有 _(填入正確選項(xiàng)前的字母)圖11A米尺B秒表C012 V的直流電源D012 V的交流電源(2)下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)操作步驟：A按照?qǐng)D示的裝置安裝器材B將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出”上C用天平測出重錘的質(zhì)量D先接通電源，后釋放紙帶，打出一條紙帶E測量紙帶上某些點(diǎn)間的距離F根據(jù)測量的結(jié)果計(jì)算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動(dòng)能其中操作不當(dāng)?shù)牟襟E是_(3)實(shí)驗(yàn)中誤差產(chǎn)生的原因有_.(寫出兩個(gè)原因)(4)利用這個(gè)裝置也可以測量重錘下落的加速度a的數(shù)值根據(jù)打出的紙帶，選取紙帶上連續(xù)的五個(gè)點(diǎn)A、B、C、D、E，測出各點(diǎn)之間的距離如圖12所示使用交流電的頻率為f，則計(jì)算重錘下落的加速度的表達(dá)式a_.(用x1、x2、x3、x4及f表示)圖12答案課堂探究例1(1)見解析(2)1.37(3)9.75解析(1)甲采用圖乙實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于小車與斜面間存在摩擦力的作用，且不能忽略，所以小車在下滑的過程中機(jī)械能不守恒，故圖乙不能用于驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律例21.(2)2.木塊勻速不易調(diào)節(jié)和判斷滑動(dòng)摩擦力的大小可直接從彈簧測力計(jì)讀出，與木板運(yùn)動(dòng)性質(zhì)無關(guān)時(shí)間、長度的測量都會(huì)產(chǎn)生誤差，且測量過程和步驟較多1安全：在三個(gè)方案中都不存在安全問題；2可行：根據(jù)題目中給出的器材，方案(1)中保證木板靜止，用彈簧測力計(jì)測量木塊、砂桶與砂的重力都能做到，可是要想保證木塊在木板上勻速運(yùn)動(dòng)就比較困難了方案(1)：不具有可操作性，所以排除方案(1)方案(2)：彈簧測力計(jì)靜止，木塊也靜止，拉動(dòng)木板運(yùn)動(dòng)時(shí)，木塊在水平方向上受到彈簧測力計(jì)的拉力和木板的滑動(dòng)摩擦力作用而平衡，所以彈簧測力計(jì)的示數(shù)等于滑動(dòng)摩擦力Ff的大小，而且在拉動(dòng)木板的過程中，不用擔(dān)心木板是否在做勻速直線運(yùn)動(dòng)，只要使木板運(yùn)動(dòng)，保證木板與木塊之間是滑動(dòng)摩擦力就可以了然后測量出木塊的重力G，則動(dòng)摩擦因數(shù)Ff/G，即方案(2)具有可操作性方案(3)：對(duì)沿木板做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的木塊受力分析，根據(jù)牛頓第二定律列出方程：mgsin mgcos ma.再用秒表測出下滑的時(shí)間t，用刻度尺測出木塊做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移x，則xat2.最后用刻度尺測出夾角的對(duì)邊和鄰邊的長度，求出sin 和cos 的大小，把以上各式聯(lián)立，就可以求出的大小比較方案(2)、方案(3)可知方案(3)中需要測量的物理量多，測量不方便，造成的誤差較大，所以應(yīng)選擇方案(2)跟蹤訓(xùn)練(1)BC(2)2.4(3)0.58060在誤差允許的范圍內(nèi)，m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒(4)gv297隨堂訓(xùn)練1BD2.D3(1)15.9 cm(2)1.22 m1.23 m小于測得的高度比自由落體運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)下落的實(shí)際高度小(3)見解析解析(3)由于阻力的存在，在下落過程中重力勢能的減少量不可能小于其動(dòng)能的增加量4(1)AD(2)B(3)見解析(4)解析(3)紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間有摩擦；用米尺測量紙帶上點(diǎn)的位置時(shí)讀數(shù)有誤差；計(jì)算勢能變化時(shí)，選取初末兩點(diǎn)距離過近；交流電頻率不穩(wěn)定(寫出任意兩個(gè)即可)