资源简介

六、验证机械能守恒定律——2024届高考物理二轮复习力学实验专项强化
【实验器材】
铁架台（带铁夹）、电磁打点计时器、低压交流电源（4～6 V）、重物、毫米刻度尺、纸带（带夹子）、复写纸片、导线。
【实验原理】
1．如图甲所示，借助打点计时器打出的纸带，测出物体自由下落的高度h和该时刻的速度v，以纸带上的第n个点为例，如图乙中的纸带，打第n个计数点时的瞬时速度等于以该时刻为中间时刻的某一段时间内的平均速度。
即vn＝＝。
2．物体下落的高度为h时速度为v，则物体的重力势能减小量为mgh，动能增加量为mv2，如果mgh＝mv2，即gh＝v2，就验证了机械能守恒定律。
一、机械能守恒定律
1.当只有重力做功时，物体的动能和重力势能发生相互转化，但机械能的总量保持不变。
2.做自由落体运动的物体，只受重力作用，其机械能是守恒的。
二、实验步骤
1．安装置：按图将检查、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，让重物带着纸带自由下落．更换纸带重复做3～5次实验．
3．选纸带：选取点迹较为清晰且有1、2两点间的距离约为2 mm的纸带，把纸带上打出的两点间的距离为2 mm的第一个点作为起始点，记作O，在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、3…
4．测距离：用刻度尺测出O点到1、2、3…的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3…
三、数据处理
1．计算各点对应的瞬时速度：记下第1个点的位置O，在纸带上从离O点适当距离开始选取几个计数点1、2、3…n并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3…hn再根据公式vn＝，计算出1、2、3、4、…n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4…vn.
2．机械能守恒验证：
方法一：利用起始点和第n点．
从起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn，动能增加量为mv，计算ghn和v，如果在实验误差允许的范围内ghn＝v，则机械能守恒定律得到验证．
方法二：任取两点A、B.
从A点到B点，重力势能减少量为mghA－mghB，动能增加量为mv－mv，计算ghAB和v－v，如果在实验误差允许的范围内ghAB＝v－v，则机械能守恒定律得到验证．
方法三：图象法．
计算各计数点v2，以v2为纵轴，以各计数点到第一个点的距离h为横轴，根据实验数据绘出v2 h图线．若在误差许可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定律．
四、误差分析
1．在进行长度测量时，测量及读数不准造成误差．
2．重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内能，下落高度越大，机械能损失越多，所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象．
3．由于交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而产生误差．
五、注意事项
1．应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：
（1）安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力．
（2）应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，使空气阻力减小．
2．纸带选取：
（1）以第一个点为起点时，要验证的是mv＝mghn，必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距为h＝gt2＝×10×（0.02）2m＝2 mm.
（2）以下落中某点为起点时，要验证的是mv－mv＝mghmn，这时选择纸带不需要满足两点间距为2 mm.
3．计算速度时不能用v＝gt或v＝，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误．
六、例题
【例题1】考查实验原理及过程
在“验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器所用电源频率为50 Hz，当地重力加速度的值为9.80 m/s2，测得所用重物的质量为1.0 kg.甲、乙、丙三个学生分别用同一装置打出三条纸带，量出各纸带上第1、2两点间的距离分别为0.18 cm、0.18 cm和0.25 cm，可看出其中肯定有一个学生在操作上出现了问题，出现的问题是______________________．若按实验要求正确地选出纸带如图所示（相邻计数点的时间间隔为0.02 s），那么：
（1）纸带的________端与重物相连（填“左”或“右”）。
（2）打点计时器打下计数点B时，重物的速度vB＝______m/s 。
（3）从起点O到打下计数点B的过程中重物重力势能的减少量ΔEp＝________J，此过程中重物动能的增加量ΔEk＝________J。
（4）通过计算，数值上ΔEp________ΔEk（填“>”“＝”或“<”），这是因为______________________________。
（5）实验的结论是__________________________。
（6）若实验中所用电源的频率f<50 Hz，实验结果将会受到什么影响？
根据纸带上的数据可以求出B点的速度，进而求出B点的动能，然后比较动能的增加量和重力势能的减少量是否相等，即可得出实验结论．
【答案】　先释放纸带后接通电源　（1）左　（2）0.98
（3）0.49　0.48　（4）>　实验中存在阻力，重物的重力势能不能完全转化为动能　（5）在误差允许的范围内重物的机械能守恒　（6）ΔEk可能大于ΔEp
【解析】　如果重物做自由落体运动，第1、2两点间的距离应接近于0.2 cm，而丙同学的纸带上第1、2两点间的距离远大于这个值，说明重物在打第1个点时已有速度，故丙同学在操作时出现的问题是先释放纸带后接通电源。
（1）纸带左端相邻两点之间的距离小，故纸带左端与重物相连。
（2）B点对应的速度vB＝＝0.98 m/s
（3）ΔEp＝mghOB≈0.49 J，ΔEk＝mv≈0.48 J
（4）ΔEp>ΔEk，在实验中存在阻力，重物的重力势能不能完全转化为动能。
（5）在实验误差允许的范围内，重物的机械能守恒。
（6）若f<50 Hz，则vB的计算值偏大，ΔEk可能大于ΔEp。
【例题2】考查实验数据处理
用如图所示的装置验证机械能守恒定律，轻绳两端系着质量均为M的物块A、B，B上放一质量为m的金属片C，在B的正下方铁架台上固定一金属圆环。开始时金属片C与圆环间的高度为h，由静止释放B，运动一段时间后金属片C被搁置在圆环上（C与轻绳间无接触），测得B通过两数字计时器的时间间隔为t，已知两数字计时器的竖直间距为d。改变h重复实验得到多组数据，为了直观反映数据关系，应绘制（　　）
A．t-h图象 B．图象 C．图象 D．图象
【答案】B
【解析】
在金属片搁置之前，系统做匀加速直线运动，搁置后，系统做匀速直线运动，则有
为了直观反映数据关系，应绘制图象。
故选B。

展开更多......

收起↑