2022届高三物理(沪科版)一轮复习教案：实验六-验证机械能守恒定律-Word版含解析.docx

试验六　验证机械能守恒定律

误差分析
1．减小测量误差：一是测下落距离时都从0点量起，一次将各打点对应下落高度测量完，二是多测几次取平均值。
2．误差来源：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量ΔEk＝mv必定稍小于重力势能的削减量ΔEp＝mghn，改进方法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。
留意事项
1．打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内以削减摩擦阻力。
2．重物密度要大：重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。
3．一先一后：应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落。
4．测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝，不能用vn＝或vn＝gt来计算。
热点一　试验原理及数据处理
【例1】　在进行“验证机械能守恒定律”的试验中：

图1
(1)两试验小组同学分别接受了如图1甲和乙所示的装置，接受两种不同的试验方案进行试验。
①在图甲中，下落物体应选择密度________(选填“大”或“小”)的重物；在图乙中，两个重物的质量关系是m1________m2(选填“＞”、“＝”、“＜”)；
②接受图乙的方案进行试验，还需要的试验器材有沟通电源，刻度尺和________；
③比较两种试验方案，你认为图________(选填“甲”或“乙”)所示试验方案更合理，理由是______________。
(2)有一同学接受了图甲所示的方案，选出一条纸带如图2所示，其中O点为起始点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通以50 Hz沟通电，在计数点A和B之间、B和C之间还各有一个点，重物的质量为0.5 kg，g取9.8 m/s2。依据以上数据，打B点时重物的重力势能比开头下落时削减了________ J，这时它的动能是________ J，依据上面这两个数据你能得到的结论是：__________。(结果保留三位有效数字)

图2
解析　(1)①为了减小空气阻力的影响，选择体积小、密度大的重物；在题图乙中，m2在m1的拉力作用下向上运动，所以m1＞m2。②两重物质量不等，分析系统损失的重力势能是否近似等于增加的动能时，两边质量不能约去，故需要天平测量两重物的质量。③题图乙中所示试验还受到细线与滑轮的阻力的影响，机械能损失较大，故题图甲所示试验方案较为合理。
(2)重力势能削减量为ΔEp＝mghOB＝0.867 J；打B点时重物的速度为vB＝，打B点时重物的动能为ΔEkB＝m()2＝0.852 J，可见在误差允许的范围内，重物下落时机械能守恒。
答案　(1)①大　＞　②天平　③甲　图乙中还受到细线与滑轮的阻力的影响　(2)0.867　0.852　在误差允许的范围内，重物下落时机械能守恒

数据处理的方法
方法一：用mv2＝mgh验证时，利用起始点和第n点计算。
方法二：用mv－mv＝mgΔh验证时，任取两点计算。
方法三：图像法。从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，依据试验数据绘出v2－h图线。若在误差允许的范围内图线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。
【变式训练】
1．(2022·南京模拟)某试验小组在做“验证机械能守恒定律”试验中，提出了如图3所示的甲、乙两种方案：甲方案为用自由落体运动进行试验，乙方案为用小车在斜面上下滑进行试验。

图3
(1)组内同学对两种方案进行了深化的争辩分析，最终确定了一个大家认为误差相对较小的方案，你认为该小组选择的方案是________，理由是______________。
(2)若该小组接受图甲的装置打出了一条纸带如图4所示，相邻两点之间的时间间隔为0.02 s，请依据纸带计算出B点的速度大小________m/s(结果保留三位有效数字)。

图4
(3)该小组内同学们依据纸带算出了相应点的速度，作出v2－h图线如图5所示，请依据图线计算出当地的重力加速度g＝________m/s2(结果保留两位有效数字)。

图5
解析　(1)甲，理由是：接受乙图试验时，由于小车和斜面间存在摩擦力的作用，且不能忽视，所以小车在下滑过程中机械能不守恒，故乙图不能用来验证机械能守恒定律。
(2)vB＝＝1.37 m/s；
(3)由于mgh＝mv2，所以v2＝2gh，图线的斜率是2g，可得g＝9.7 m/s2或g＝9.8 m/s2。
答案　(1)甲　接受乙图试验时，由于小车和斜面间存在摩擦力的作用，且不能忽视，所以小车在下滑过程中机械能不守恒，故乙图不能用来验证机械能守恒定律
(2)1.37　(3)9.7或9.8
热点二　拓展创新试验
猜测高考命题视角
以本试验为背景，通过转变试验条件、试验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性等特点。
视角1　试验器材的改进
①由系统动能、重力势能的变化验证机械能守恒，所用试验器材：光电门、气垫导轨。
②通过小球自由落体运动的闪光照片验证机械能守恒。
视角2　试验原理的迁移
【例2】　某同学利用如图6所示的装置来验证由小车与钩码组成的系统机械能守恒

图6
(1)现供应如下器材：
A．小车　B．钩码　C．一端带滑轮的长木板　D．细绳　E．电火花打点计时器　F．纸带　G．毫米刻度尺　H．游标卡尺　I．低压沟通电源　J．220 V沟通电源
试验中不需要的器材是________(填写器材前的字母)，还需要的器材是________。
(2)为尽可能消退摩擦力对本试验的影响，使验证结果尽可能精确     ，则小车质量M和钩码质量m的关系应当满足________。
(3)小明和小军同学在做该试验时，小明认为只要接受平衡摩擦力的方法将摩擦力平衡掉就可以了，无须满足(2)问中小车质量M和钩码质量m的关系，而小军却否认小明的看法，你认为小明的看法________(选填“正确”或“不正确”)，理由是______________。
(4)两位同学统一观点后完成试验，得到一条纸带，去掉前面比较密集的点，选择点迹清楚且便于测量的连续7个点(标号为0～6)，测出相关距离如图7所示，要验证在第2点与第5点时系统的机械能相等，则应满足关系式_________(设小车质量M，钩码质量m，打点周期为T)。

图7
解析　(1)试验不需要游标卡尺，距离由刻度尺测量，电火花计时器直接使用220 V沟通电源，不需要低压沟通电源，不需要的器材是H、I。还需要天平测量钩码和小车的质量。
(2)为尽可能消退摩擦力对本试验的影响，使验证结果尽可能精确     ，则小车质量M和钩码质量m的关系应当满足M≪m，这样能使摩擦力做的功相对少些，以减小机械能的损失。
(3)小明的看法不正确，由于平衡摩擦力后，摩擦力还做负功，系统机械能不守恒。
(4)利用匀变速直线运动的推论：
v2＝，v5＝
从第2点到第5点时系统的动能增加
(M＋m)()2－(M＋m)()2
从第2点到第5点时系统的重力势能减小量：mg(d5－d2)
应满足关系式mg(d5－d2)＝(M＋m)()2－(M＋m)()2
答案　(1)H，I　天平　(2)M≪m
(3)不正确　由于平衡摩擦力后，摩擦力还做负功，系统机械能不守恒
(4)mg(d5－d2)＝(M＋m)()2－(M＋m)·()2
【变式训练】
2．某同学利用如图8所示的气垫导轨装置验证系统机械能守恒定律。在气垫导轨上安装了两光电门1、2，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过轻质定滑轮与钩码相连。

图8
(1)试验时要调整气垫导轨水平。不挂钩码和细线，接通气源，假如滑块_________________________，
则表示气垫导轨调整至水平状态。
(2)不挂钩码和细线，接通气源，滑块从轨道右端向左运动的过程中，发觉滑块通过光电门1的时间小于通过光电门2的时间。实施下列措施能够让导轨水平的是________。
A．调整P使轨道左端上升一些
B．调整Q使轨道右端降低一些
C．遮光条的宽度应适当大一些
D．滑块的质量增大一些
E．气源的供气量增大一些
(3)试验时，测出光电门1、2间的距离L，遮光条的宽度d，滑块和遮光条的总质量M，钩码质量m。由数字计时器读出遮光条通过光电门1、2的时间t1、t2，则系统机械能守恒成立的表达式是______________。
解析　滑块从轨道右端向左运动的过程中，发觉滑块通过光电门1的时间小于通过光电门2的时间，说明滑块加速向左运动，导轨右端较高，能够让导轨水平的是：调整Q使轨道右端降低一些或调整P使轨道左端上升一些，选项A、B正确。依据机械能守恒定律，系统重力势能削减量mgL应当等于动能增加量
(m＋M)()2－(m＋M)()2，
即mgL＝(m＋M)()2－(m＋M)()2。
答案　(1)能在气垫导轨上静止或做匀速运动或滑块经两个光电门的时间相等　(2)AB
(3)mgL＝(m＋M)()2－(m＋M)()2