2024年高考物理一轮复习第6章机械能及其守恒定律实验专题六第30讲验证机械能守恒定律学案含解析.docVIP

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第30讲验证机械能守恒定律

一、试验目的

验证机械能守恒定律。

二、试验器材

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)。

考点一试验原理与操作

一、试验原理

1．在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能相互转化，但总的机械能保持不变。若物体某时刻瞬时速度为v，下落高度为h，则重力势能的削减量为mgh，动能的增加量为eq\f(1,2)mv2，看gh和eq\f(1,2)v2在试验误差允许的范围内是否相等，若相等则验证了机械能守恒定律。

2．计算打第n个点时瞬时速度的方法：如图所示，由公式可得打第n个点时的速度vn＝eq\f(hn＋1－hn－1,2T)。

二、试验步骤

1．将调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。

2．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次试验。

3．从已打出的纸带中，选出第一、二点间的距离接近2mm并且点迹清楚的纸带进行测量。

4．在选择的纸带上，登记第一点的位置O，并在纸带上从随意点起先依次选取几个点1、2、3、4、…并量出各点到位置O的距离，这些距离就是物体运动到点1、2、3、4、…时下落的高度h1、h2、h3、h4、…。

三、留意事项

1．打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调整到同一竖直平面内，以减小摩擦阻力。

2．重物要选用密度大、体积小的物体，这样可以减小空气阻力的影响，从而减小试验误差。

3．试验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，待接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带。

4．测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不宜过长，有效长度可在60～80cm之间。

5．不需测出物体质量，只需验证eq\f(1,2)veq\o\al(2,n)＝ghn即可。

6．速度不能用vn＝gtn或vn＝eq\r(2ghn)计算，因为只要认为加速度为g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，所以速度应从纸带上干脆测量计算。同样的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺干脆测量，而不能用hn＝eq\f(1,2)gteq\o\al(2,n)或hn＝eq\f(v\o\al(2,n),2g)计算得到。

四、试验改进

1．物体下落过程中通过某一位置的速度可以用光电计时器测出来，利用这种装置验证机械能守恒定律，能消退计算速度时测量长度带来的偶然误差。

2．整个试验装置可以放在真空的环境中操作，如用牛顿管和频闪照相进行验证，以消退由于空气阻力作用而带来的误差。

3．为防止重物被释放时的初速度不为零，可将装置改成如图所示形式，剪断纸带最上端，让重物从静止起先下落。

(2024·天津高考)如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止起先自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律。

(1)对于该试验，下列操作中对减小试验误差有利的是________。

A．重物选用质量和密度较大的金属锤

B．两限位孔在同一竖直面内上下对正

C．精确测量出重物的质量

D．用手托稳重物，接通电源后，撤手释放重物

(2)某试验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz的沟通电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离干脆测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有________。

A．OA、AD和EG的长度B．OC、BC和CD的长度

C．BD、CF和EG的长度D．AC、BD和EG的长度

解析(1)验证机械能守恒定律时，为降低空气阻力的影响，重物的质量和密度要大，A正确；为减小纸带与打点计时器间的摩擦，两限位孔要在同一竖直平面内上下对正，B正确；验证机械能守恒定律的表达式为mgh＝eq\f(1,2)mv2，重物的质量没必要测量，C错误；D中做法对减小试验误差无影响，D错误。

(2)利用纸带数据，依据mgh＝eq\f(1,2)mv2即可验证机械能守恒定律。要从纸带上测出重物下落的高度并计算出对应的速度，选项A、D的条件中，下落高度与所能计算的速度不对应；选项B的条件符合要求，可以取重物下落OC段处理；选项C中，可以求出C、F点的瞬时速度，又知CF间的距离，可以利用eq\f(1,2)mveq\o\al(2,2)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)＝mgΔh验证机械能守恒定律。

答案(1)AB(2)BC

方法感悟

除用