2019年度高考物理一輪復(fù)習(xí) 第五章 機(jī)械能 實(shí)驗(yàn)六 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律課件.ppt

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第五章機(jī)械能 實(shí)驗(yàn)六驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 過(guò)好雙基關(guān) 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證機(jī)械能守恒定律 2 實(shí)驗(yàn)原理 如圖1所示 通過(guò)實(shí)驗(yàn) 求出做自由落體運(yùn)動(dòng)物體的 和相應(yīng)過(guò)程動(dòng)能的增加量 若二者相等 說(shuō)明機(jī)械能守恒 從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 圖1 重力勢(shì)能 的減少量 3 實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 電源 紙帶 復(fù)寫(xiě)紙 重物 鐵架臺(tái) 帶鐵夾 導(dǎo)線兩根 4 實(shí)驗(yàn)步驟 1 安裝器材 將固定在鐵架臺(tái)上 用導(dǎo)線將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與低壓電源相連 2 打紙帶用手豎直提起紙帶 使重物停靠在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器下方附近 先 再 讓重物自由下落 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器就在紙帶上打出一系列的點(diǎn) 取下紙帶 換上新的紙帶重打幾條 3 5條 紙帶 刻度尺 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 接通電源 松開(kāi)紙帶 3 選紙帶 分兩種情況說(shuō)明 若選第1點(diǎn)O到下落到某一點(diǎn)的過(guò)程 即用 來(lái)驗(yàn)證 應(yīng)選點(diǎn)跡清晰 且第1 2兩點(diǎn)間距離小于或接近的紙帶 用驗(yàn)證時(shí) 由于重力勢(shì)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) 這樣紙帶上打出的第1 2兩點(diǎn)間的距離是否小于或接近2mm就無(wú)關(guān)緊要了 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論在的范圍內(nèi) 自由落體運(yùn)動(dòng)過(guò)程機(jī)械能守恒 2mm 誤差允許 1 誤差分析 1 測(cè)量誤差 減小測(cè)量誤差的方法 一是測(cè)下落距離時(shí)都從0點(diǎn)量起 一次將各打點(diǎn)對(duì)應(yīng)下落高度測(cè)量完 二是多測(cè)幾次取平均值 2 系統(tǒng)誤差 由于重物和紙帶下落過(guò)程中要克服阻力做功 故動(dòng)能的增加量 Ek mvn2必定稍于重力勢(shì)能的減少量 Ep mghn 改進(jìn)辦法是調(diào)整安裝的器材 盡可能地減小 小 阻力 2 注意事項(xiàng) 1 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要豎直 安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)要架穩(wěn) 使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi) 以減少 2 重物應(yīng)選用質(zhì)量大 體積小 密度大的材料 3 應(yīng)先接通電源 讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作 后松開(kāi)紙帶讓重物下落 4 測(cè)長(zhǎng)度 算速度 某時(shí)刻的瞬時(shí)速度的計(jì)算應(yīng)用vn 不能用vn 或vn gt來(lái)計(jì)算 豎直 摩擦阻力 3 驗(yàn)證方案方案一 利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)計(jì)算代入mghn和mvn2 如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi) mghn和mvn2相等 則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律 方案二 任取兩點(diǎn)計(jì)算 1 任取兩點(diǎn)A B 測(cè)出hAB 算出mghAB 3 在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi) 若mghAB 則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律 方案三 圖象法從紙帶上選取多個(gè)點(diǎn) 測(cè)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v2 h圖象 若在誤差允許的范圍內(nèi)圖象是一條過(guò)原點(diǎn)且斜率為g的直線 則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律 研透命題點(diǎn) 例1 2017 天津理綜 9 2 如圖2所示 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上 使重物帶動(dòng)紙帶從靜止開(kāi)始自由下落 利用此裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 命題點(diǎn)一教材原型實(shí)驗(yàn) 基礎(chǔ)考點(diǎn)自主悟透 答案 解析 圖2 1 對(duì)于該實(shí)驗(yàn) 下列操作中對(duì)減小實(shí)驗(yàn)誤差有利的是 A 重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘B 兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對(duì)正C 精確測(cè)量出重物的質(zhì)量D 用手托穩(wěn)重物 接通電源后 撤手釋放重物 解析重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘 能夠減小空氣阻力的影響 以減小誤差 故A正確 兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對(duì)正 減小紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的阻力 以減小誤差 故B正確 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的原理是 mgh 重物質(zhì)量可以消掉 無(wú)需精確測(cè)量出重物的質(zhì)量 故C錯(cuò)誤 用手托穩(wěn)重物 接通電源后 撤手釋放重物對(duì)減小實(shí)驗(yàn)誤差無(wú)影響 故D錯(cuò)誤 2 某實(shí)驗(yàn)小組利用上述裝置將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到50Hz的交流電源上 按正確操作得到了一條完整的紙帶 由于紙帶較長(zhǎng) 圖中有部分未畫(huà)出 如圖3所示 紙帶上各點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的計(jì)時(shí)點(diǎn) 其中O點(diǎn)為紙帶上打出的第一個(gè)點(diǎn) 重物下落高度應(yīng)從紙帶上計(jì)時(shí)點(diǎn)間的距離直接測(cè)出 利用下列測(cè)量值能完成驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的選項(xiàng)有 A OA AD和EG的長(zhǎng)度B OC BC和CD的長(zhǎng)度C BD CF和EG的長(zhǎng)度D AC BD和EG的長(zhǎng)度 答案 解析 圖3 解析利用紙帶數(shù)據(jù) 根據(jù)mgh mv2即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 要從紙帶上測(cè)出重物下落的高度并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的速度 選項(xiàng)A D的條件中 下落高度與所能計(jì)算的速度不對(duì)應(yīng) 選項(xiàng)B的條件符合要求 可以取重物下落OC時(shí)處理 選項(xiàng)C中 可以求出C F點(diǎn)的瞬時(shí)速度 又知CF間的距離 可以利用mv22 mv12 mg h驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 解析重物下落過(guò)程中重力勢(shì)能減少 動(dòng)能增加 故該實(shí)驗(yàn)需要比較重物下落過(guò)程中任意兩點(diǎn)間的動(dòng)能變化量與勢(shì)能變化量在誤差允許范圍內(nèi)是否相等 A項(xiàng)正確 變式1 2016 北京理綜 21 2 利用圖4裝置做 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 的實(shí)驗(yàn) 1 為驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒 需要比較重物下落過(guò)程中任意兩點(diǎn)間的 A 動(dòng)能變化量與勢(shì)能變化量B 速度變化量和勢(shì)能變化量C 速度變化量和高度變化量 答案 解析 圖4 2 除帶夾子的重物 紙帶 鐵架臺(tái) 含鐵夾 電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 導(dǎo)線及開(kāi)關(guān)外 在下列器材中 還必須使用的兩種器材是 A 交流電源B 刻度尺C 天平 含砝碼 解析 解析電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的是交流電源 故選A 需要測(cè)紙帶上兩點(diǎn)間的距離 還需要刻度尺 選B 根據(jù)mg h mv22 mv12可將等式兩邊的質(zhì)量抵消 不需要天平 不選C 答案 3 實(shí)驗(yàn)中 先接通電源 再釋放重物 得到圖5所示的一條紙帶 在紙帶上選取三個(gè)連續(xù)打出的點(diǎn)A B C 測(cè)得它們到起始點(diǎn)O的距離分別為hA hB hC 已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期為T(mén) 設(shè)重物的質(zhì)量為m 從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)的過(guò)程中 重物的重力勢(shì)能變化量 Ep 動(dòng)能變化量 Ek 解析 答案 圖5 mghB 4 大多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量 原因是 A 利用公式v gt計(jì)算重物速度B 利用公式v 計(jì)算重物速度C 存在空氣阻力和摩擦阻力的影響D 沒(méi)有采用多次實(shí)驗(yàn)取平均值的方法 解析 解析重物重力勢(shì)能的減少量大于動(dòng)能的增加量 是因?yàn)橹匚锵侣溥^(guò)程中存在空氣阻力和摩擦阻力的影響 C正確 答案 5 某同學(xué)想用下述方法研究機(jī)械能是否守恒 在紙帶上選取多個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn) 測(cè)量它們到起始點(diǎn)O的距離h 計(jì)算對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)點(diǎn)的重物速度v 描繪v2h圖象 并做如下判斷 若圖象是一條過(guò)原點(diǎn)的直線 則重物下落過(guò)程中機(jī)械能守恒 請(qǐng)你分析論證該同學(xué)的判斷是否正確 答案 解析 答案不正確 理由見(jiàn)解析 解析該同學(xué)的判斷依據(jù)不正確 在重物下落h的過(guò)程中 若阻力Ff恒定 根據(jù)mgh Ffh mv2 0 則v2 2 g h可知 v2 h圖象就是過(guò)原點(diǎn)的一條直線 要想通過(guò)v2 h圖象來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒 還必須看圖象的斜率是否接近2g 類型1實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新例2某研究性學(xué)習(xí)小組利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 實(shí)驗(yàn)裝置如圖6甲所示 在氣墊導(dǎo)軌上相隔一定距離的兩處安裝兩個(gè)光電傳感器A B 滑塊P上固定一遮光條 若光線被遮光條遮擋 光電傳感器會(huì)輸出高電壓 兩光電傳感器采集數(shù)據(jù)后與計(jì)算機(jī)相連 滑塊在細(xì)線的牽引下向左加速運(yùn)動(dòng) 遮光條經(jīng)過(guò)光電傳感器A B時(shí) 通過(guò)計(jì)算機(jī)可以得到如圖乙所示的電壓U隨時(shí)間t變化的圖象 命題點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新 能力考點(diǎn)師生共研 圖6 1 實(shí)驗(yàn)前 接通氣源 將滑塊 不掛鉤碼 置于氣墊導(dǎo)軌上 輕推滑塊 當(dāng)圖乙中的 t1 t2 選填 或 時(shí) 說(shuō)明氣墊導(dǎo)軌已經(jīng)水平 答案 解析 解析實(shí)驗(yàn)前 接通氣源 將滑塊 不掛鉤碼 置于氣墊導(dǎo)軌上 輕推滑塊 當(dāng)圖乙中的 t1 t2時(shí) 說(shuō)明滑塊已經(jīng)勻速運(yùn)動(dòng) 說(shuō)明氣墊導(dǎo)軌已經(jīng)水平 2 用游標(biāo)卡尺測(cè)遮光條寬度d 測(cè)量結(jié)果如圖丙所示 則d mm 答案 解析 解析用游標(biāo)卡尺測(cè)遮光條寬度d 則d 5 0mm 5 0 3 滑塊P用細(xì)線跨過(guò)氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與鉤碼Q相連 鉤碼Q的質(zhì)量為m 將滑塊P由圖甲所示位置釋放 通過(guò)計(jì)算機(jī)得到的圖象如圖乙所示 若 t1 t2和d已知 要驗(yàn)證滑塊和鉤碼組成的系統(tǒng)機(jī)械能是否守恒 還應(yīng)測(cè)出 寫(xiě)出物理量的名稱及符號(hào) 答案 解析 滑塊質(zhì)量M和兩光電門(mén)間距離L 4 若上述物理量間滿足關(guān)系式 則表明在上述過(guò)程中 滑塊和鉤碼組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒 答案 解析 變式2利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 實(shí)驗(yàn)裝置如圖7甲所示 水平桌面上固定一傾斜的氣墊導(dǎo)軌 導(dǎo)軌上A點(diǎn)處有一帶長(zhǎng)方形遮光片的滑塊 其總質(zhì)量為M 左端由跨過(guò)輕質(zhì)光滑定滑輪的細(xì)繩和一質(zhì)量為m的小球相連 遮光片兩條長(zhǎng)邊與導(dǎo)軌垂直 導(dǎo)軌上B點(diǎn)有一光電門(mén) 可以測(cè)量遮光片經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)的擋光時(shí)間t 用d表示A點(diǎn)到光電門(mén)B處的距離 b表示遮光片的寬度 將遮光片通過(guò)光電門(mén)的平均速度看做滑塊通過(guò)B點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度 實(shí)驗(yàn)時(shí)滑塊在A處由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng) 1 某次實(shí)驗(yàn)測(cè)得傾角 30 重力加速度用g表示 滑塊從A處到達(dá)B處時(shí)m和M組成的系統(tǒng)動(dòng)能增加量可表示為 Ek 系統(tǒng)的重力勢(shì)能減少量可表示為 ep 在誤差允許的范圍內(nèi) 若 Ek Ep 則可認(rèn)為系統(tǒng)的機(jī)械能守恒 用題中字母表示 答案 解析 圖7 2 在上述實(shí)驗(yàn)中 某同學(xué)改變A B間的距離 作出的v2 d圖象如圖乙所示 并測(cè)得M m 則重力加速度g m s2 答案 解析 9 6 類型2實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新例3用如圖8甲所示的實(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(kāi)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(cè)量 即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 如圖乙給出的是實(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 所用電源的頻率為50Hz 已知m1 50g m2 150g 結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字 則 圖8 1 在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v5 m s 答案 解析 2 4 2 在打下0點(diǎn)到第5點(diǎn)的過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)能的增量 Ek J 系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量 Ep J 當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭取10m s2 答案 解析 0 58 0 60 解析 Ek m1 m2 v52 0 0 58J Ep m2gh5 m1gh5 0 60J 3 若某同學(xué)作出v2 h圖象如圖丙所示 則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭 m s2 答案 解析 9 7 解得g 9 7m s2 變式3某同學(xué)利用豎直上拋小球的頻閃照片驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 頻閃儀每隔0 05s閃光一次 如圖9所標(biāo)數(shù)據(jù)為實(shí)際距離 該同學(xué)通過(guò)計(jì)算得到不同時(shí)刻的速度如下表 當(dāng)?shù)刂亓铀俣热? 8m s2 小球質(zhì)量m 0 2kg 結(jié)果保留3位有效數(shù)字 答案 解析 3 48 圖9 1 由頻閃照片上的數(shù)據(jù)計(jì)算t5時(shí)刻小球的速度v5 m s 2 從t2到t5時(shí)間內(nèi) 重力勢(shì)能的增量 Ep J 動(dòng)能的減少量 Ek J 答案 解析 1 24 1 28 3 在誤差允許的范圍內(nèi) 若 Ep與 Ek近似相等 即驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律 由上述計(jì)算得 Ep 選填 或 Ek 造成這種結(jié)果的主要原因是 答案 解析 存在空氣阻力 解析由計(jì)算可得 Ep Ek 主要是由于存在空氣阻力 圖10 命題點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)拓展 能力考點(diǎn)師生共研 例4某同學(xué)用如圖10所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 一根細(xì)線系住鋼球 懸掛在鐵架臺(tái)上 鋼球靜止于A點(diǎn) 光電門(mén)固定在A的正下方 在鋼球底部豎直地粘住一片寬度為d的遮光條 將鋼球拉至不同位置由靜止釋放 遮光條經(jīng)過(guò)光電門(mén)的擋光時(shí)間t可由計(jì)時(shí)器測(cè)出 取v 作為鋼球經(jīng)過(guò)A點(diǎn)時(shí)的速度 記錄鋼球每次下落的高度h和計(jì)時(shí)器示數(shù)t 計(jì)算并比較鋼球在釋放點(diǎn)和A點(diǎn)之間的勢(shì)能變化大小 Ep與動(dòng)能變化大小 Ek 就能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒 1 用 Ep mgh計(jì)算鋼球重力勢(shì)能變化的大小 式中鋼球下落高度h應(yīng)測(cè)量釋放時(shí)的鋼球球心到之間的豎直距離 A 鋼球在A點(diǎn)時(shí)的頂端B 鋼球在A點(diǎn)時(shí)的球心C 鋼球在A點(diǎn)時(shí)的底端 答案 解析 解析鋼球下落高度h 應(yīng)測(cè)量釋放時(shí)的鋼球球心到鋼球在A點(diǎn)時(shí)的球心之間的豎直距離 故選B 2 用 Ek mv2計(jì)算鋼球動(dòng)能變化的大小 用刻度尺測(cè)量遮光條寬度 示數(shù)如圖11所示 其讀數(shù)為cm 某次測(cè)量中 計(jì)時(shí)器的示數(shù)為0 0100s 則鋼球的速度為v m s 答案 解析 圖11 1 50 1 50 3 下表為該同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 答案 解析 他發(fā)現(xiàn)表中的 Ep與 Ek之間存在差異 認(rèn)為這是由于空氣阻力造成的 你是否同意他的觀點(diǎn) 請(qǐng)說(shuō)明理由 解析不同意 因?yàn)榭諝庾枇?huì)造成 Ek小于 Ep 但表中 Ek大于 Ep 答案見(jiàn)解析 4 請(qǐng)你提出一條減小上述差異的改進(jìn)建議 答案 解析 答案見(jiàn)解析 解析分別測(cè)出光電門(mén)和球心到懸點(diǎn)的長(zhǎng)度L和l 計(jì)算 Ek時(shí) 將遮光條的速度v折算成鋼球的速度v 圖13 變式4 2017 湖北七市三月模擬 某同學(xué)為了探究桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能表達(dá)式 設(shè)計(jì)了如圖12所示的實(shí)驗(yàn) 質(zhì)量為m的均勻長(zhǎng)直桿一端固定在光滑轉(zhuǎn)軸O處 桿由水平位置靜止釋放 用光電門(mén)測(cè)出另一端A經(jīng)過(guò)某位置時(shí)的瞬時(shí)速度vA 并記下該位置與轉(zhuǎn)軸O的高度差h 答案 解析 圖12 1 調(diào)節(jié)h的大小并記錄對(duì)應(yīng)的速度vA 數(shù)據(jù)如下表 為了形象直觀地反映vA和h的關(guān)系 應(yīng)選擇 選填 vA vA 1 或 vA2 為縱坐標(biāo) 并在圖13的坐標(biāo)紙中標(biāo)明縱坐標(biāo) 畫(huà)出圖象 vA2 答案圖象如圖所示 解析由表中數(shù)據(jù)可看出 h與vA2成正比 因此應(yīng)選擇vA2為縱坐標(biāo) 描點(diǎn)畫(huà)線 可得到一條過(guò)原點(diǎn)的直線 2 當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭取10m s2 結(jié)合圖象分析 桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能Ek 請(qǐng)用質(zhì)量m 速度vA表示 答案 解析