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1、實驗(8):驗證機械能守恒定律一、實驗原理圖二、基本實驗要求1.實驗?zāi)康尿炞C機械能守恒定律2.實驗原理讓物體自由下落,用刻度尺測出物體下落的高度hn,求出對應(yīng)點的瞬時速度vn,比較重力勢能的減少量與動能的增加量,若二者相等,則機械能守恒。3.實驗器材鐵架臺(帶鐵夾)、打點計時器、學(xué)生電源、導(dǎo)線、帶鐵夾的重錘、紙帶、刻度尺。4.實驗步驟(1)按實驗原理圖把打點計時器豎直固定在鐵架臺上,用導(dǎo)線把打點計時器與學(xué)生電源連接好。(2)把紙帶的一端在重錘上用夾子固定好,另一端穿過打點計時器限位孔。(3)用手提著紙帶,讓重物靠近打點計時器并處于靜止?fàn)顟B(tài),然后接通電源,松開紙帶,讓重物自由落下。重復(fù)幾次,得到

2、35條打好點的紙帶。(4)在打好點的紙帶中挑選出點跡清晰的紙帶進行測量,在起始點標(biāo)上O,以后各點依次標(biāo)上A、B、C,用刻度尺測出對應(yīng)下落高度h1、h2、h3,如圖所示。(5)應(yīng)用公式 ,算出各點對應(yīng)的即時速度v1、v2、v3、vn,填入記錄表中。(6)計算各點對應(yīng)的勢能減少量Ep和動能的增加量Ek,進行比較。5.數(shù)據(jù)處理(1)方案一:利用起始點和第n點計算。將測量計算得到的hn和vn的值代入ghn和 ,如果在實驗誤差允許的條件下,二者相等,則機械能守恒定律是正確的。(2)方案二:任取兩點計算。任取較遠兩點A、B測出hAB,算出ghAB,算出 的值。若在實驗誤差允許的條件下二者相等,則機械能守恒

3、定律是正確的。(3)方案三:圖象法。從紙帶上選取多個點,測量從第一點到其余各點的下落高度hn,并計算各點速度的平方,然后以v2為縱軸,以h為橫軸,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出v2-h圖象,若在誤差允許的條件下,圖線是一條過原點的直線,則機械能守恒定律是正確的。6.注意事項(1)重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料。(2)打點計時器安裝要穩(wěn)固,并使兩限位孔在同一豎直線上,以減少摩擦阻力。(3)實驗中,手提著紙帶上端并保持紙帶豎直,減少紙帶與限位孔間的摩擦阻力。(4)實驗中,需保持提紙帶的手不動并讓重物靠近打點計時器,待接通電源,讓打點計時器工作正常后再松開紙帶讓重物下落,以保證第一個點是一個清晰的點。(5

4、)因不需要知道動能和勢能的具體數(shù)值,因此不需要測出重物的質(zhì)量m。7.誤差分析實際上重物和紙帶下落過程中要克服阻力做功,所以動能的增加量要小于勢能的減少量。考點1考點2考點3考點1實驗原理和操作典例典例5(1)在“驗證機械能守恒定律”的實驗中,某實驗小組分別設(shè)計了如圖甲、乙、丙所示的實驗裝置來驗證機械能守恒定律?？键c1考點2考點3(1)經(jīng)分析比較后,其中最理想的實驗裝置是(選填“甲”“乙”或“丙”)。 (2)某個小組的三位同學(xué)按照正確的操作選得紙帶如圖所示,其中O是起始點,A、B、C是打點計時器連續(xù)打下的3個點。該同學(xué)用毫米刻度尺測量O到A、B、C各點的距離,用重物在OB段的運動來驗證機械能守恒

5、,已知當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭取9.80 m/s2,打點計時器所用電源頻率為f=50 Hz,設(shè)重物質(zhì)量為1.00 kg?？键c1考點2考點3甲同學(xué)發(fā)現(xiàn),圖中的B是除起始點外打點計時器打下的第n個點,因此他用vB=ngT(T是打點計時器的打點周期)計算B點對應(yīng)時刻重物的速度,這樣得到的結(jié)果是重力勢能的減少量(選填“大于”“小于”或“等于”)動能的增加量。 乙同學(xué)認為,可以利用O點到B點的距離hB,計算B點對應(yīng)時刻重物的速度 ,這樣得到的結(jié)果是重力勢能的減少量(選填“大于”“小于”或“等于”)動能的增加量。 丙同學(xué)用AC段的平均速度作為跟B點對應(yīng)的重物瞬時速度,即用 計算B點對應(yīng)時刻重物的速度,這樣得到的

6、結(jié)果是重力勢能的減少量(填“大于”“小于”或“等于”)動能的增加量。 你認為三位同學(xué)的數(shù)據(jù)處理方法中合理的是(選填“甲”“乙”或“丙”)。 考點1考點2考點3解析: (1)甲;(2)甲同學(xué)直接按自由落體計算的瞬時速度,而實際運動過程中有空氣阻力和摩擦力,加速度會小于g,所以這樣計算的速度偏大,所以重力勢能的減少量小于動能的增加量;乙同學(xué)直接利用高度按照勻加速計算速度,相當(dāng)于是利用重力勢能求動能,結(jié)果是相等的,但這種求法是錯誤的;丙同學(xué)用勻變速直線運動規(guī)律求解B點速度,與重物實際運動規(guī)律相符,所以速度計算正確,由于實驗過程中摩擦阻力的存在,重力勢能有一部分轉(zhuǎn)化給了摩擦阻力做功產(chǎn)生的內(nèi)能,重力勢能

7、的減少量大于動能的增加量。三位同學(xué)的數(shù)據(jù)處理方法中合理的是丙。答案: (1)甲(2)小于等于大于丙考點1考點2考點3考點2實驗數(shù)據(jù)處理典例典例6(多選)用自由落體法驗證機械能守恒定律,就是看 是否等于mghn(n為計數(shù)點的編號0、1、2n)。下列說法中正確的是()A.打點計時器打第一個點0時,重物的速度為零B.hn是計數(shù)點n到起始點0的距離C.必須測量重物的質(zhì)量D.用vn=gtn計算vn時,tn=(n-1)T(T為打點周期) 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉考點1考點2考點3典例典例7為了探究機械能守恒定律,某同學(xué)設(shè)計了如圖甲所示的實驗裝置,并提供了如下的實驗器材:A.小車、B.鉤碼、C.一端帶

8、滑輪的木板、D.細線、E.電火花計時器、F.紙帶、G.毫米刻度尺、H.低壓交流電源、I.220 V的交流電源甲乙 考點1考點2考點3(1)根據(jù)上述實驗裝置和提供的實驗器材,你認為實驗中不需要的器材是(填寫器材序號),還應(yīng)補充的器材是。 (2)實驗中得到了一條紙帶如圖乙所示,選擇點跡清晰且便于測量的連續(xù)7個點(標(biāo)號06),測出0到1、2、3、4、5、6點的距離分別為d1、d2、d3、d4、d5、d6,打點周期為T。則打點2時小車的速度v2=;若測得小車質(zhì)量為M、鉤碼質(zhì)量為m,打點1和點5時小車的速度分別用v1、v5表示,已知重力加速度為g,則驗證點1與點5間系統(tǒng)的機械能守恒的關(guān)系式可表示為。 考

9、點1考點2考點3考點1考點2考點3考點3實驗創(chuàng)新設(shè)計典例典例8某同學(xué)利用豎直上拋小球的頻閃照片驗證機械能守恒定律。頻閃儀每隔0.05 s閃光一次,圖中所標(biāo)數(shù)據(jù)為實際距離,該同學(xué)通過計算得到不同時刻的速度如下表(當(dāng)?shù)刂亓铀俣热?.8 m/s2,小球質(zhì)量m=0.2 kg,結(jié)果保留三位有效數(shù)字):考點1考點2考點3(1)由頻閃照片上的數(shù)據(jù)計算t5時刻小球的速度v5= m/s。 (2)從t2到t5時間內(nèi),重力勢能增加量Ep=J,動能減少量Ek=J。 (3)在誤差允許的范圍內(nèi),若Ep與Ek近似相等,從而驗證了機械能守恒定律。由上述計算得Ep(選填“”“”或“=”)Ek,造成這種結(jié)果的主要原因是。 考點1考點2考點3(2)由題給條件知:h25=(26.68+24.16+21.66) cm=72.5 cm=0.725 m;Ep=mgh25=0.29.80.725 J=1.42 J;(3)由(2)中知EpEk,因為存在空氣阻力等原因,導(dǎo)致重力勢能的增加量小于動能的減少量。答案: (1)4.08(2)1.421.46(3)原因見解析