内容正文:
实验七 验证机械能守恒定律
学生用书 P111
实验原理→
通过实验,求出做自由落
体运动物体的重力势能
的减少量和相应过程动
能的增加量,若二者相
等,说明机械能守恒,从
而验证机械能守恒定律
实验目的→ 验证机械能守恒定律
实验
器材→
打点计时器、电源、纸
带、复写纸、重物、刻
度尺、铁架台 (附夹
子)、导线两根
实验
步骤→
(1)安装器材:将打点计时
器固定在铁架台上,用
导线将打点计时器与低
压电源相连
(2)将纸带固定在重物上,
让纸带穿过打点计时器
的限位孔
(3)用手提着纸带,让重物
靠近打点计时器并处于
静止状态,然后接通电
源,松开纸带,让重物自
由落下,纸带上打下一
系列小点
(4)从几条打下点的纸带中
挑选出点迹清楚的纸带
进行测量
(5)在起始点标上0,在以后
各点依次标上1、2、3
用刻度尺测出对应下落
高度h1、h2、h3
数据处理
[方法一] 利用起始点和第n点计算
代入ghn 和
1
2v
2
n,如果在实验误差允许的情况下,ghn=
1
2v
2
n,
则验证了机械能守恒定律.
[方法二] 任取两点计算
(1)任取两点A、B,测出hAB,算出ghAB.
(2)算出12v
2
B-
1
2v
2
A 的值.
(3)在实验误差允许的情况下,若ghAB=
1
2v
2
B-
1
2v
2
A,则验证
了机械能守恒定律.
[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12v
2 为纵轴,以h
为横轴,根据实验数据绘出1
2v
2Gh 图线.若在误差允许的
范围内图像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.
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=
1
2mv
2
n 必定稍小于重力势能的减
少量ΔEp=mghn,改进办法是调整器材的安装,尽可能地
减小阻力.
注意事项
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减少摩擦阻力.
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=
hn+1-hn-1
2T
,不能用vn= 2gh或vn=gt来计算.
学生用书 P111
热点一 教材原型实验
甲
[典例1] 利用图甲装置做“验证机械
能守恒定律”实验.
(1)为验证机械能是否守恒,需要比
较重 物 下 落 过 程 中 任 意 两 点 间 的
.
A.动能变化量与势能变化量
B.速度变化量与势能变化量
C.速度变化量与高度变化量
(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁
打点计时器、导线及开关外,在下列器材中,还必须
使用的两种器材是 .
A.交流电源 B.刻度尺 C.天平(含砝码)
451
高考总复习 物理
(3)实验中,先接通电源,再释放重物,得到图乙所
示的一条纸带.在纸带上选取三个连续打出的点
A、B、C,测得它们到起始点O 的距离分别为hA、
hB、hC.
已知当地重力加速度为g,打点计时器打点的周期
为T.设重物的质量为m.从打O 点到打B 点的过
程中,重物的重力势能变化量 ΔEp= ,动
能变化量ΔEk= .
乙
(4)大多数学生的实验结果显示,重力势能的减少
量大于动能的增加量,原因是 .
A.利用公式v=gt计算重物速度
B.利用公式v= 2gh计算重物速度
C.存在空气阻力和摩擦阻力的影响
D.没有采用多次实验取平均值的方法
(5)某同学想用下述方法研究机械能是否守恒:在
纸带上选取多个计数点,测量它们到起始点O 的距
离h,计算对应计数点的重物速度v,描绘v2-h图
像,并做如下判断:若图像是一条过原点的直线,则
重物下落过程中机械能守恒.请你分析论证该同学
的判断依据是否正确.
[解析] (1)根 据 机 械 能 守 恒 定 律 可 得 mgh=
1
2mv
2-0,故需要比较动能变化量与势能变化量,
A 正确.
(2)电磁打点计时器使用的是交流电源,故 A 正
确;因为在计算重力势能变化量时,需要用到纸带
上两点之间的距离,所以还需要刻度尺,故B正确;
根据mgh=12mv
2-0可得等式两边的质量抵消,
故不需要天平,C错误.
(3)重力势能改变量为Ep=mghB,由于下落过程中
是匀变速直线运动,所以可得B 点的速度为vB=
hC-hA
2T
,所以 ΔEk=
1
2mv
2
B=
1
2m
hC-hA
2T
æ
è
ç
ö
ø
÷
2
.
(4)实验过程中存在空气阻力,纸带运动过程中存
在摩擦力,C正确.
(5)该同学的判断依据不正确,在重物下落h 的过
程中,若阻力f恒定,根据mgh-fh=12mv
2-0⇒
v2=2g-fm
æ
è
ç
ö
ø
÷h可知,v2-h 图像就是过原点的一
条直线.要用通过v2Gh 图像的方法验证机械能是
否守恒,还必须看图像的斜率是否接近2g.
[答案] (1)A (2)AB (3)mghB
1
2m
hC-hA
2T
æ
è
ç
ö
ø
÷
2
(4)C (5)见解析
[典例2] (2025黑龙江哈尔滨期末)某同学用图1
所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验.
图1
图2
(1)图2为实验中打出的一条纸带,实验所用的重
物质量为200g,打点计时器(打点周期002s)打
下点6时物体的速度v6= m/s,从“0”
到“6”点 的 过 程 中,重 力 势 能 的 减 少 量 ΔEp =
J(g取98m/s2,计算结果均保留3位
有效数字).
(2)根据纸带上的数据,算出重物在各位置的速度
v,量出对应位置下落的距离h,并以v
2
2
为纵轴、h为
横轴画出图像,若下落过程中机械能守恒,绘制v
2
2Gh
的图像是 (填图像前的选项)
[解析] (1)打点计时器打下点6时物体的速度
大小为v6=
x57
2T=
4.7×10-2
2×0.02 m
/s≈1.18m/s
从“0”到“6”点的过程中,重力势能的减少量为 ΔEp
=mgx06=0.2×9.8×7.30×10-2J=0.143J
(2)若重物下落过程中机械能守恒,则mgh=12mv
2,
即v
2
2=gh
,
即v
2
2Gh
图像为过原点的一条倾斜直线,故选B.
[答案] (1)118m/s 0143 (2)B
551
第六章 机械能守恒定律
热点二 创新拓展实验
创新
角度
实验装置图 创新解读
实
验
原
理
的
创
新
(1)利用机械能守
恒定律确定弹簧弹
性势能
(2)由平抛运动测
量球的初速度
(3)利用平抛位移s
-弹簧压缩量 Δx
图线处理数据
(1)利用钢球摆动
来验证机械能守恒
定律
(2)利用光电门测
定摆球的瞬时速度
实
验
器
材
的
创
新
(1)小球在重力作
用 下 做 竖 直 上 抛
运动
(2)利用频闪照片
获取实验数据
实
验
过
程
的
创
新
(1)用光电门测定
小球下落到B 点的
速度
(2)结 合 1
t2
GH 图
线判断小球下落过
程中机械能守恒
(3)分析实验误差
ΔEpGΔEk 随 H 变
化的规律
(1)利用系统机械
能守恒代替单个物
体的机械能守恒
(2)利用光电门测
算滑块的瞬时速度
[典例3] (2025吉林长春期末)某实验小组设计
了一个验证机械能守恒定律的实验,器材如图所
示,固定转轴位于四分之一圆周的圆心位置,质量
可忽略的硬杆连接在固定转轴上,另一端固定着一
个体积较小的小球,小球与圆弧紧贴但不接触,圆
心的正下方固定着一个光电门,圆周的最右侧竖直
放置一个刻度尺,其0刻线与圆周的圆心处于同一
水平面上.实验小组每次从不同的高度释放小球
前,先读出小球所在位置的刻度h,然后释放小球,
并从数字记录仪上读出小球从光电门位置经过的
速度v,已知硬杆的长度l=8cm,则:
(1)实验过程中, (填“需要”或“不需要”)测
量小球的质量,就能验证机械能守恒定律.
(2)若实验过程中,获得了一系列的实验数据,如下
表所示,
v2(m2/s2)1372 1176 0980 0784 空白10392
h(cm) 100 200 空白2 400 500 600
小明同学在上面的坐标纸中选取合适的标度,并作
出了v2Gh 图像,请你猜想图像是否为正比例图线
(填“是”或者“否”),根据图像可知表格中写
“空白1”位置的数据应该是 ,“空白2”位置
的数据应该是 .(均保留3位有效数字)
(3)假如小明同学在上述实验过程中,得到的实验
图像是一条斜率为k的直线,那么当地的重力加速
度为 (用k来表示).
[解析] (1)要验证机械能守恒定律,由题意得mg
(l-h)=12mv
2
可以约去质量,故不需要测量小球质量.
(2)由 mg(l-h)=12mv
2,可知v2=-2gh+2gl,
所以v2Gh 图像不是正比例图线.
根据表格中数据,做出v2Gh 图像,如图
根据图像可知表格中写“空白1”位置的数据应该
是0588,“空白2”位置的数据应该是300.
651
高考总复习 物理
(3)由v2=-2gh+2gl,图像是一条斜率为k的直
线,则 k= -2g,解 得 当 地 的 重 力 加 速 度 为 g
=-12k.
[答案] (1)不需要 (2)否 0588 300
(3)-k2
[典例4] (2025贵州铜仁期末)某同学采用如图
甲所示装置验证物块 A 与物块B(带有遮光条)组
成的系统机械能守恒.图中光电门安装在铁架台上
且位置可调,mB=3mA,细线始终伸直.不计滑轮和
遮光条的质量,不计一切摩擦,实验时将物块B由
静止释放.
甲
乙 丙
(1)用螺旋测微器测出遮光条宽度d 如图乙所示,
则d= mm;
(2)光电门某次测得时间为t,则此时 A 的速度大
小为 (用含d、t字母的表达式表示);
(3)改变光电门与物块B之间的高度h,重复实验,
测得各次遮光条的挡光时间t,以h为横轴、1
t2
为纵
轴建立平面直角坐标系,在坐标系中作出图像,如
图丙所示,该图像的斜率为k,在实验误差允许范
围内,若k= (用含g、d 字母的表达式表
示),则验证了系统机械能守恒定律.
[解析] (1)螺旋测微器的读数为固定刻度与可动
刻度之和,所以遮光条的宽度为
d=1mm+19.5×0.01mm=1.195mm
(2)A 的速度大小为v=dt
(3)若系统机械能守恒,则 mBgh-mAgh=
1
2
(mA
+mB)v2,v=
d
t
,mB=3mA,
所以1
t2
=g
d2
h,则k=g
d2
.
[答案] (1)1195(1.194~1.196) (2)dt
(3)g
d2
学生用书 P113
能量观念是物理核心素养的重要组成部分,是高考考查的重点和难点.能量守恒定律是自然界最普遍、最
重要、最可靠的自然规律之一,能量转化在生产、生活中随处可见,举不胜举.
动能⇔重力势能
[典例1] (多选)如图甲所示,闻名于世的“襄阳炮”
其实是一种大型抛石机.将石块放在长臂一端的石
袋中,在短臂端挂上重物 M.发射前将长臂端往下
拉至地面,然后突然松开,石袋中的石块过最高点
时就被抛出.现将其简化为图乙所示.将一质量m
=50kg的可视为质点的石块装在长L=10m 的
长臂末端的石袋中,初始时长臂与水平面的夹角
α=30°,松开后,长臂转至竖直位置时,石块被水平
抛出,落在水平地面上.测得石块落地点与O 点的
水平距离s=30m,忽略长臂、短臂和石袋的质量,
不计空气阻力和所有摩擦,g取10m/s2,下列说法
正确的是 ( )
A.石块水平抛出时的初速度为10 3m/s
B.重物 M 重力势能的减少量等于石块机械能的增
加量
C.石块从A 到最高点的过程中,石袋对石块做功
15000J
D.石块运动至最高点时,石袋对石块的作用力大
小为500N
[解析] AC [石 块 平 抛 运 动 的 高 度 h=L+
Lsin30°=10m+10×05m=15m,竖直方向:h=
1
2gt
2,水平方向:s=v0t,代入数据解得:v0=10 3
m/s,故 A 正确;长臂转动过程中,重物的动能也在
增加,因此重物重力势能的减少量不等于石块机械
能的增加量,故B错误;石块从A 到最高点的过程
中,石袋对石块做功等于石块机械能的增加量,则
有W=12mv
2
0+mgh=
1
2×50×
(10 3)2J+50×
10×15J=15000J,故 C正确;石块运动至最高点
时,由牛顿第二定律得:F+mg=
mv20
L
,代入数据解
得:F=1000N,故 D错误.]
动能+重力势能⇔弹性势能
[典例2] “反向蹦极”是一项比蹦极更刺激的运动.
如图所示,弹性轻绳的上端固定在O 点,拉长后将
下端固定在体验者的身上,并与固定在地面上的力
751
第六章 机械能守恒定律
传 感 器 相 连,传 感 器 示 数 为
1000N.打开扣环,人从 A 点
由静止释放,像火箭一样被“竖
直发射”,经B 上升到最高位置
C 点,在B 点时速度最大,在上
升过程中,仅在最后1s内做匀
变速直线运动.已知BC间距LBC=
25
3 m
,人与装备
总质量m=50kg(可视为质点).弹性绳的弹力始
终遵循胡克定律,忽略空气阻力,重力加速度g 取
10m/s2.求:
(1)人在最后1s内位移h的大小和释放瞬间人的
加速度a 的大小;
(2)弹性绳的劲度系数k和释放前弹性绳的弹性势
能Ep.
[解析] (1)根据题意可知,释放前后
人的受力如图所示
释放前,人 处 于 平 衡 状 态 有:F1 =F
+mg,
释放后:F1-mg=ma,
解得:a=20m/s2,
由题意可知,上升最后阶段绳子松弛,人只受重力,
做匀减速运动到最高点,可以逆向看作自由落体运
动,最后1s内上升的高度为h=12gt
2=5m.
(2)在B 点速度最大,此时弹性绳的弹力刚好与重
力大小相等,设弹簧的伸长量为x1,则
F弹 =kx1=mg,
x1=LBC-h,
解得:k=150N/m,
释放前,弹性绳的拉力为F1=1500N
此时弹簧的伸长量为x2=
F1
k=10m
,
所以人从释放到运动到最高点的距离为
H=h+x2=15m.
上升过程中机械能守恒,则根据机械能守恒定律:
释放前弹性绳的弹性势能
Ep=mgH=7500J.
[答案] (1)5m 20m/s2 (2)150N/m
7500J
机械能⇔内能
[典例3] (2025泰安模拟)如
图为某探究活动小组设计的节
能运输系统.斜面轨道倾角为
θ=37°,弹簧一端固定在斜面
末端O 点,自由端位于P 点,木箱在轨道顶端Q 点
时,自动装货装置将质量为10kg的货物装入木
箱,然后木箱载着货物沿轨道无初速度滑下,轻弹
簧被压缩至最短时,自动卸货装置立即将货物卸
下,然后木箱恰好被弹回轨道顶端,再重复上述过
程.已知木箱与轨道的动摩擦因数为μ=05,sin
37°=06,cos37°=08.重力加速度g取10m/s2.求:
(1)木箱下滑时,碰到弹簧前,货物受到木箱的作用
力的大小;
(2)木箱的质量.
[解析] (1)设木箱碰到弹簧前,运动的加速度为
a,木 箱 的 质 量 为 M,货 物 的 质 量 为 m,则 m=
10kg..
以木 箱 和 货 物 整 体 为 研 究 对 象,由 牛 顿 第 二 定
律有:
(M+m)gsinθ-μ(M+m)gcosθ=(M+m)a,
设货物受到木箱沿斜面方向的作用力大小为F1,
垂直斜面方向的作用力大小为F2,则
mgsinθ-F1=ma,F2=mgcosθ,
货物受到木箱作用力大小F= F21+F22,
代入数据解得:F=40 5N;
(2)设弹簧的最大弹性势能为Ep,压缩至最短时木
箱移动的距离为x,由能量守恒定律得:
下滑过程中:
(M+m)gxsinθ-μ(M+m)gxcosθ=Ep,
弹回过程中:Mgxsinθ+μMgxcosθ=Ep,
代入数据得:M=25kg,
[答案] (1)40 5N (2)25kg
电能⇔机械能+内能
[典例4] 如图所示为科学家研发
出的一款超小型风力发电机,也被
称之为郁金香风力发电机,可以供
家庭使用,具有噪音极低,启动风
速较小等特点.某家庭装有郁金香
风力发电机10台,某日该地区的
风速是6m/s,风吹到的叶片有效面积为1m2,已
知空气的密度为1.2kg/m3,假如该风力发电机能
将通过此有效面积内空气动能的40%转化为电
能.下列表述符合事实的是 ( )
A.每秒冲击每台风力发电机叶片的空气体积为1m3
B.每 秒 冲 击 每 台 风 力 发 电 机 叶 片 的 空 气 动
能为2592J
C.每台风力发电机发电的功率为1296W
D.该风力发电机组工作24h,发电量约1244kWh
[解析] D [每秒冲击每台风力发电机叶片的空
气体积为V=SL=Svt=1×6×1m3=6m3
A 错误;1s内气流的质量为m=ρV=1.2×6kg=
7.2kg
气流的 动 能 为 E动 = 12mv
2 = 12 ×7.2×6
2 J=
129.6J,B错误;1s风的动能转化的电能为
E电 =ηE动 =40%×129.6J=51.84J,则功率P=
E电
t =51.84W
,C错误;该风力发电机组工作24h,
发电量为 W =10Pt=10×51.84×24kWh=
12.44kWh,D正确.]
851
高考总复习 物理