《（通用版）2018-2019版高考物理總復(fù)習(xí) 主題三 機(jī)械能及其守恒定律 3.8實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案 新人教版》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《（通用版）2018-2019版高考物理總復(fù)習(xí) 主題三 機(jī)械能及其守恒定律 3.8實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律學(xué)案 新人教版（10頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 3.8　實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1.會(huì)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)的速度。 2.掌握利用自由落體運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的原理和方法。 實(shí)驗(yàn)原理 讓物體自由下落，忽略阻力情況下物體的機(jī)械能守恒，有兩種方案驗(yàn)證物體的機(jī)械能守恒： 方案一：以物體自由下落的位置O為起始點(diǎn)，測(cè)出物體下落高度h時(shí)的速度大小v，若mv2＝mgh成立，則可驗(yàn)證物體的機(jī)械能守恒。 方案二：測(cè)出物體下落高度h過(guò)程的初、末時(shí)刻的速度v1、v2，v1、v2的計(jì)算方法與方案一的相同。若關(guān)系式mv－mv＝mgh成立，則物體的機(jī)械能守恒。 實(shí)驗(yàn)器材 鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、重錘(帶紙帶

2、夾子)、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、低壓交流電源。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 一、實(shí)驗(yàn)步驟 1.安裝置：按圖將檢查、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(guò)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(kāi)紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落。更換紙帶重復(fù)做3～5次實(shí)驗(yàn)。 3.選紙帶：選取點(diǎn)跡較為清晰且有兩點(diǎn)間的距離約為2__mm的紙帶，把紙帶上打出的兩點(diǎn)間的距離為2 mm的第一個(gè)點(diǎn)作為起始點(diǎn)，記作O，在距離O點(diǎn)較遠(yuǎn)處再依次選出計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3…… 4.測(cè)距離：用刻度尺測(cè)出O點(diǎn)到1、2、3……的距離，

3、即為對(duì)應(yīng)下落的高度h1、h2、h3…… 二、數(shù)據(jù)處理 1.計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度：記下第1個(gè)點(diǎn)的位置O，在紙帶上從離O點(diǎn)適當(dāng)距離開(kāi)始選取幾個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)1、2、3……并測(cè)量出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離h1、h2、h3……再根據(jù)公式vn＝，計(jì)算出1、2、3、4、……n點(diǎn)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3、v4……vn。 2.機(jī)械能守恒驗(yàn)證 方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)。 從起始點(diǎn)到第n個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為mghn，動(dòng)能增加量為mv，計(jì)算ghn和v，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)ghn＝v，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。 方法二：任取兩點(diǎn)A、B。 從A點(diǎn)到B點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為mghA－mghB，動(dòng)能增加量

4、為mv－mv，計(jì)算ghAB和v－v，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)ghAB＝v－v，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證。 方法三：圖象法。 計(jì)算各計(jì)數(shù)點(diǎn)v2，以v2為縱軸，以各計(jì)數(shù)點(diǎn)到第一個(gè)點(diǎn)的距離h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出v2－h(huán)圖線。若在誤差許可的范圍內(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。 誤差分析 1.在進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，測(cè)量及讀數(shù)不準(zhǔn)造成誤差。 2.重物下落要克服阻力做功，部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，下落高度越大，機(jī)械能損失越多，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了各計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)械能依次略有減小的現(xiàn)象。 3.由于交流電的周期不穩(wěn)定，造成打點(diǎn)時(shí)間間隔變化而產(chǎn)生誤差。 注意事項(xiàng) 1.應(yīng)

5、盡可能控制實(shí)驗(yàn)滿足機(jī)械能守恒的條件，這就要求盡量減小各種阻力的影響，采取的措施有： (1)安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，必須使兩個(gè)限位孔的中線嚴(yán)格豎直，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，使空氣阻力減小。 2.紙帶選?。? (1)以第一個(gè)點(diǎn)為起點(diǎn)時(shí)，要驗(yàn)證的是mv＝mghn，必須保證紙帶上的第一個(gè)點(diǎn)為重物靜止釋放時(shí)打的點(diǎn)，所以前兩個(gè)點(diǎn)的間距為h＝gt2＝×10×(0.02)2m＝ 2 mm。 (2)以下落中某點(diǎn)為起點(diǎn)時(shí)，要驗(yàn)證的是mv－mv＝mghmn，這時(shí)選擇紙帶不需要滿足兩點(diǎn)間距為2 mm。 3.計(jì)算速度時(shí)不能用v＝gt

6、或v＝，否則就犯了用機(jī)械能守恒定律去驗(yàn)證機(jī)械能守恒的錯(cuò)誤。 　實(shí)驗(yàn)原理與操作 [精典示例] [例1] 如圖1為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖?，F(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?；卮鹣铝袉?wèn)題： 圖1 (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) A.米尺 B.秒表 C.0～12 V的直流電源 D.0～12 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.先接通電源，后釋放紙帶，打出一條紙帶 D.測(cè)

7、量紙帶上某些點(diǎn)間的距離 E.根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重錘下落過(guò)程中減少的重力勢(shì)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(xiě)出兩個(gè)原因)。 (4)利用這個(gè)裝置也可以測(cè)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(cè)出各點(diǎn)之間的距離如圖2所示。使用交流電源的頻率為f，則計(jì)算重錘下落的加速度的表達(dá)式a＝______。(用

8、x1、x2、x3、x4及f表示) 圖2 解析　(1)為完成此實(shí)驗(yàn)，除了所給的器材外，測(cè)量需要米尺，電源需要0～12 V的交流電源。 (2)其中操作不當(dāng)?shù)牟襟E是將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出”上，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器需要交流電源。 (3)紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間有摩擦以及空氣阻力；用米尺測(cè)量紙帶上點(diǎn)的位置時(shí)讀數(shù)有誤差；計(jì)算勢(shì)能變化時(shí)，選取初、末兩點(diǎn)距離過(guò)近；交流電源頻率不穩(wěn)定。 (4)由Δx＝aT2得： a＝＝。 答案　(1)AD　(2)B　(3)紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間有摩擦以及空氣阻力；用米尺測(cè)量紙帶上點(diǎn)的位置時(shí)讀數(shù)有誤差；計(jì)算勢(shì)能變化時(shí)，選取初、末兩點(diǎn)距離過(guò)近；交流電源頻率不穩(wěn)定 (4

9、) 　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理 [精典示例] [例2] 某同學(xué)用圖3甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，其中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源為交流電源，可以使用的頻率有20 Hz、30 Hz和40 Hz，打出紙帶的一部分如圖乙所示。該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有記錄交流電的頻率f，需要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他條件進(jìn)行推算。 圖3 (1)若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落，利用f和圖乙中給出的物理量可以寫(xiě)出：在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出B點(diǎn)時(shí)，重物下落的速度大小為_(kāi)___________，打出C點(diǎn)時(shí)重物下落的速度大小為_(kāi)_________，重物下落的加速度大小為_(kāi)_______。 (2)已測(cè)得s1＝8.89 cm，s2＝9.50 cm，

10、s3＝10.10 cm；當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮?.80 m/s2，實(shí)驗(yàn)中重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%。由此推算出f為_(kāi)_______Hz。 解析　(1)兩點(diǎn)間時(shí)間間隔為T(mén)＝，vB＝＝，同理vC＝，重物下落的加速度的大小為a＝。 (2)據(jù)mg－0.01mg＝ma和a＝，代入數(shù)據(jù)可得f為40 Hz。 答案　(1)　　　(2)40 1.甲同學(xué)準(zhǔn)備做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)，乙同學(xué)準(zhǔn)備做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)。 (1)圖4中A、B、C、D、E表示部分實(shí)驗(yàn)器材，甲同學(xué)需在圖中選用的器材有________；乙同學(xué)需在圖中選用的器材有________。(用字母表示)

11、 圖4 (2)乙同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室選齊所需器材后，經(jīng)正確操作獲得如圖5所示的兩條紙帶①和②。紙帶________(選填“①”或“②”)的加速度大，其加速度大小為_(kāi)_______。 圖5 答案　(1)A、B　B、D、E　(2)①　2.50 m/s2 (2.48～2.52 m/s2均可) 2.在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中： (1)從下列器材中選出實(shí)驗(yàn)所必須的，其編號(hào)為_(kāi)_______。 A.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(包括紙帶) B.重錘 C.天平 D.毫米刻度尺 E.秒表(或停表) F.運(yùn)動(dòng)小車 (2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，為保證重物下落時(shí)初速度為零，應(yīng)____。 A.先接通電源，

12、再釋放紙帶 B.先釋放紙帶，再接通電源 (3)下列說(shuō)法中正確的是________。 A.實(shí)驗(yàn)中用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，一定用到低壓直流電源 B.選用重物時(shí)，同樣大小、形狀的重物應(yīng)選重一點(diǎn)的比較好 C.要選用第1、2兩點(diǎn)距離接近2 mm的紙帶 D.實(shí)驗(yàn)結(jié)果總是動(dòng)能增加量略小于重力勢(shì)能的減少量 解析　(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(含紙帶)、重錘是必須的，為了測(cè)量計(jì)數(shù)點(diǎn)的距離，需要毫米刻度尺；因?yàn)槭潜容^mgh、mv2的大小關(guān)系，故m可約去，不需要測(cè)出重物的質(zhì)量，不需要用天平；打點(diǎn)計(jì)時(shí)器本身可以計(jì)算時(shí)間，所以不需要秒表，實(shí)驗(yàn)用的是重錘，不需要運(yùn)動(dòng)小車。故選A、B、D。 (2)開(kāi)始記錄時(shí)，應(yīng)先給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通

13、電打點(diǎn)，然后再釋放紙帶，讓它帶著紙帶一同落下。這樣有利于數(shù)據(jù)的采集和處理，減少實(shí)驗(yàn)誤差。故選A。 (3)電火花計(jì)時(shí)器不用低壓電源，電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器用低壓交流電源，故A錯(cuò)誤；為了減小空氣阻力的影響，在選擇重物時(shí)，要選擇密度大的，即選擇質(zhì)量大體積小的重物，B正確；由公式h＝gt2可知，若開(kāi)始第1、2兩點(diǎn)間的距離為2 mm，則打第1個(gè)點(diǎn)時(shí)的速度為零，這樣只需比較mgh、mv2的大小關(guān)系即可，實(shí)驗(yàn)方便，C正確；由于空氣阻力和紙帶與計(jì)時(shí)器摩擦的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果總是動(dòng)能增加量略小于重力勢(shì)能的減少量，故D正確。 答案　(1)ABD　(2)A　(3)BCD 3.(2018·鄭州高一檢測(cè))如圖6是利用重物自由

14、下落驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置。 圖6 (1)在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有必要進(jìn)行的操作是________。 A.用天平測(cè)重物的質(zhì)量 B.用秒表測(cè)重物下落的時(shí)間 C.用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄重物下落的信息 D.用紙帶記錄測(cè)量重物下落的高度 (2)該實(shí)驗(yàn)所用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源頻率為50 Hz，如圖7所示，A、B、C為紙帶中選取的三個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)點(diǎn)未畫(huà)出，則每?jī)蓚€(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔T＝______s，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B時(shí)，物體的下落速度為vB＝________m/s。(小數(shù)點(diǎn)后保留兩位小數(shù)) 圖7 (3)由于該實(shí)驗(yàn)中存在阻力做功，所以實(shí)驗(yàn)測(cè)得的重

15、物的重力勢(shì)能的減少量________(選填“＜”“＞”或“＝”)動(dòng)能的增加量。 解析　(1)因?yàn)槲覀兪潜容^mgh、mv2的大小關(guān)系，故m可約去比較，不需要測(cè)出重物的質(zhì)量，故A錯(cuò)誤；我們可以通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器計(jì)算時(shí)間，不需要秒表，故B錯(cuò)誤；用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可以記錄重物下落的時(shí)間和高度，故C正確；用紙帶記錄測(cè)量重物下落的高度，故D正確。 (2)每?jī)蓚€(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)點(diǎn)未畫(huà)出，則每?jī)蓚€(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔T＝0.1 s。根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律中間時(shí)刻速度等于這段時(shí)間中的平均速度得vB＝＝2.36 m/s。 (3)由于紙帶通過(guò)時(shí)受到較大的阻力和重物受到的空氣阻力，重力勢(shì)能有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化為摩擦產(chǎn)生的

16、內(nèi)能，所以重力勢(shì)能的減少量明顯大于動(dòng)能的增加量。 答案　(1)AB　(2)0.1　2.36　(3)＞ 4.某同學(xué)做驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)時(shí)，不慎將一條挑選出的紙帶的一部分損壞，損壞的是前端部分。剩下的一段紙帶上各相鄰點(diǎn)間的距離已測(cè)出標(biāo)在圖8中，單位是cm。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作頻率為50 Hz，重力加速度g取9.8 m/s2，重物質(zhì)量為m。 圖8 (1)重物在2點(diǎn)時(shí)的速度v2＝________，在5點(diǎn)時(shí)的速度v5＝________，此過(guò)程中動(dòng)能增加量ΔEk＝________，重力勢(shì)能減少量ΔEp＝________。由以上可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：___________________________

17、_________________________。 (2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)判斷下列圖象正確的是(其中ΔEk表示重物動(dòng)能的變化量，Δh表示重物下落的高度)(　　) 解析　(1)根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，可以求出重物在2點(diǎn)時(shí)的速度v2＝ m/s＝1.50 m/s和重物在5點(diǎn)時(shí)的速度v5＝ m/s＝2.075 m/s，所以動(dòng)能增加量為ΔEk＝mv－mv＝1.03m J，重物從2點(diǎn)到5點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為ΔEp＝mgh25＝m×9.8×(3.2＋3.6＋4.0)×10－2J＝1.06m J，由以上可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論為：在誤差允許的范圍內(nèi)，機(jī)械能守恒。 (2)重物機(jī)械能守恒，應(yīng)有重物減少的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為

18、增加的動(dòng)能，即ΔEk＝mgΔh，可見(jiàn)重物增加的動(dòng)能與下落的距離成正比，選項(xiàng)C正確。 答案　(1)1.50 m/s　2.075 m/s　1.03m J　1.06m J　在誤差允許的范圍內(nèi)，機(jī)械能守恒　(2)C 5.(2018·青島高一檢測(cè))利用如圖9所示實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。通過(guò)電磁鐵控制的小鐵球從A點(diǎn)自由下落，下落過(guò)程中小鐵球經(jīng)過(guò)光電門(mén)B時(shí)，毫秒計(jì)時(shí)器(圖中未畫(huà)出)記錄下小鐵球的擋光時(shí)間t。實(shí)驗(yàn)前調(diào)整光電門(mén)位置，使小球下落過(guò)程中，小鐵球球心垂直細(xì)激光束通過(guò)光電門(mén)，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間。 圖9 (1)為了驗(yàn)證小鐵球下落過(guò)程中機(jī)械能是否守恒，還需要測(cè)量的物理量是________。

19、 A.A點(diǎn)距地面的高度H B.A、B之間的距離h C.小鐵球從A到B的下落時(shí)間tAB D.小鐵球的直徑d (2)小鐵球通過(guò)光電門(mén)時(shí)的瞬時(shí)速度v＝____________；要驗(yàn)證小鐵球下落過(guò)程中機(jī)械能是否守恒，只需驗(yàn)證等式______是否成立即可(用實(shí)驗(yàn)中測(cè)得物理量的符號(hào)表示)。 解析　(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知，需要測(cè)量的是A點(diǎn)到光電門(mén)B的距離，故A錯(cuò)誤，B正確；利用小球通過(guò)光電門(mén)的平均速度來(lái)代替瞬時(shí)速度，不需要測(cè)量下落時(shí)間，故C錯(cuò)誤；利用小球通過(guò)光電門(mén)的平均速度來(lái)代替瞬時(shí)速度時(shí)，需要知道擋光物體的尺寸，因此需要測(cè)量小球的直徑，故D正確。 (2)利用小球通過(guò)光電門(mén)的平均速度來(lái)代替瞬時(shí)

20、速度，故v＝；根據(jù)機(jī)械能守恒的表達(dá)式有mgh＝mv2，可得＝h(或d2＝2ght2)，故只要驗(yàn)證＝h(或d2＝2ght2)即可。 答案　(1)BD　(2)?。絟(或d2＝2ght2) 6.現(xiàn)利用如圖10所示裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。圖中AB是固定的光滑斜面，斜面的傾角為30°，1和2是固定在斜面上適當(dāng)位置的兩個(gè)光電門(mén)，與它們連接的光電計(jì)時(shí)器都沒(méi)有畫(huà)出。讓滑塊從斜面的頂端滑下，光電門(mén)1、2各自連接的光電計(jì)時(shí)器顯示的擋光時(shí)間分別為5.00×10－2s、2.00×10－2s。已知滑塊質(zhì)量為2.00 kg，滑塊沿斜面方向的長(zhǎng)度為5.00 cm，光電門(mén)1和2之間的距離為0.54 m，g取9.80 m/

21、s2，取滑塊經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)的速度為其平均速度。 圖10 (1)滑塊經(jīng)過(guò)光電門(mén)1時(shí)的速度v1＝________m/s，通過(guò)光電門(mén)2時(shí)的速度v2＝________m/s。 (2)滑塊通過(guò)光電門(mén)1、2之間的動(dòng)能增加量為_(kāi)_______J，重力勢(shì)能的減少量為_(kāi)_______J。 解析　(1)v1＝＝ m/s＝1.00 m/s v2＝＝ m/s＝2.50 m/s (2)動(dòng)能增加量 ΔEk＝×2.00×(2.502－1.002) J＝5.25 J 重力勢(shì)能的減少量： ΔEp＝2.00×9.80×0.54×sin 30° J＝5.29 J 答案　(1)1.00　2.50　(2)5.25　5.29 10