物理第五章 機(jī)械能 實(shí)驗(yàn)6 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 新人教版

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1、實(shí)驗(yàn)6驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律-2-一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康尿?yàn)證機(jī)械能守恒定律。二、實(shí)驗(yàn)原理通過(guò)實(shí)驗(yàn),求出做自由落體運(yùn)動(dòng)物體的 重力勢(shì)能的減少量和相應(yīng)過(guò)程動(dòng)能的增加量,若二者相等,說(shuō)明機(jī)械能守恒,從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。-3-三、實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(tái)(含鐵夾)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、學(xué)生電源、紙帶、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、重物(帶夾子)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.安裝置:按原理圖所示將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上,接好電路。2.打紙帶:用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的地方,先接通電源,后松開紙帶,讓重物下落。更換紙帶重復(fù)做35次實(shí)驗(yàn)。3.選紙帶:分兩種情況說(shuō)明-4-五、數(shù)據(jù)處理及驗(yàn)證方案 -5-六、誤差分析1.系統(tǒng)誤差本實(shí)驗(yàn)中

2、因重錘和紙帶在下落過(guò)程中要克服各種阻力(空氣阻力、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器阻力)做功,故EkEp,改進(jìn)的方法是調(diào)整器材的安裝,盡可能減小阻力。2.偶然誤差誤差來(lái)源于長(zhǎng)度的測(cè)量,減小誤差的方法是測(cè)下落距離時(shí)都從O點(diǎn)測(cè)量,一次將各打點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下落高度測(cè)量完,或者多次測(cè)量取平均值。-6-七、注意事項(xiàng)1.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要豎直:安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)要豎直架穩(wěn),使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)以減少摩擦阻力。2.重物密度要大:重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料。3.一先一后:應(yīng)先接通電源,讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作,后松開紙帶讓重物下落。-7-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二教材原型實(shí)驗(yàn)教材原型實(shí)驗(yàn)例1(2017天津卷)如圖所示,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架

3、臺(tái)上,使重物帶動(dòng)紙帶從靜止開始自由下落,利用此裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。-8-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二(1)對(duì)于該實(shí)驗(yàn),下列操作中對(duì)減小實(shí)驗(yàn)誤差有利的是。A.重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘B.兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對(duì)正C.精確測(cè)量出重物的質(zhì)量D.用手托穩(wěn)重物,接通電源后,撤手釋放重物-9-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二(2)某實(shí)驗(yàn)小組利用上述裝置將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到50Hz的交流電源上,按正確操作得到了一條完整的紙帶,由于紙帶較長(zhǎng),圖中有部分未畫出,如圖所示。紙帶上各點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的計(jì)時(shí)點(diǎn),其中O點(diǎn)為紙帶上打出的第一個(gè)點(diǎn)。重物下落高度應(yīng)從紙帶上計(jì)時(shí)點(diǎn)間的距離直接測(cè)出,利用下列測(cè)量值能完成驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的選項(xiàng)有

4、。A.OA、AD和EG的長(zhǎng)度B.OC、BC和CD的長(zhǎng)度C.BD、CF和EG的長(zhǎng)度D.AC、BD和EG的長(zhǎng)度-10-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二答案:(1)AB(2)BC解析:(1)重物選擇質(zhì)量、密度較大的金屬錘,可減小空氣阻力的影響保證自由下落,故A正確。兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對(duì)正,減小紙帶與限位孔間的阻力,保證自由下落,故B正確。由mgh= mv2可得m的大小與實(shí)驗(yàn)結(jié)論無(wú)關(guān),故C不正確。用手拿著紙帶的上端,讓重物懸空,先接通電源,再釋放。若托重物再釋放,紙帶不繃緊,實(shí)驗(yàn)誤差大,故D錯(cuò)誤。-11-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二(2)要驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,必須測(cè)出下落高度,計(jì)算相應(yīng)點(diǎn)的瞬時(shí)速度。A項(xiàng),OA段可求得OA

5、中點(diǎn)速度大小,AD段可求得AD中點(diǎn)速度的大小,EG段可求得F點(diǎn)速度的大小,但不可求得各中點(diǎn)間的距離大小,因此無(wú)法求得相應(yīng)過(guò)程中重物的重力勢(shì)能的變化量,故A項(xiàng)錯(cuò)誤;B項(xiàng),根據(jù)BC段、CD段的距離可求得C點(diǎn)的速度大小,即可求得C點(diǎn)處的動(dòng)能大小,由于O點(diǎn)處動(dòng)能為0,可求得OC段動(dòng)能的變化量,再根據(jù)OC段距離即可求得C點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的重力勢(shì)能變化量,驗(yàn)證機(jī)械能守恒,故B項(xiàng)正確;C項(xiàng),根據(jù)已知BD段長(zhǎng)度可求得C點(diǎn)的速度大小,已知EG長(zhǎng)度可求得F點(diǎn)速度大小,進(jìn)而求得C點(diǎn)到F點(diǎn)的動(dòng)能變化,又因?yàn)橐阎狢F的長(zhǎng)度大小,可求得其重力勢(shì)能的變化量,故C項(xiàng)正確;D項(xiàng),由AC段長(zhǎng)度可求得B點(diǎn)的速度大小,BD段長(zhǎng)度可求得C點(diǎn)的

6、速度大小,EG段長(zhǎng)度可求得F點(diǎn)的速度大小,但無(wú)法求得各已知速度的點(diǎn)間的距離大小,無(wú)法求得其重力勢(shì)能的變化量,故D項(xiàng)錯(cuò)誤,故選B、C。-12-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二思維點(diǎn)撥根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理,結(jié)合實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)后分析解答;依據(jù)這段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于中間時(shí)刻瞬時(shí)速度,從而確定動(dòng)能的變化,再依據(jù)重力勢(shì)能表達(dá)式,進(jìn)而確定其變化,即可驗(yàn)證。-13-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)拓展創(chuàng)新在高考中往往以教材上的實(shí)驗(yàn)為背景,通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)置題目,不脫離教材而又不拘泥于教材,體現(xiàn)開放性、探究性、實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)等特點(diǎn)。1.實(shí)驗(yàn)器材、裝置的改進(jìn)-14-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二2.速度測(cè)量方法的改進(jìn)由光電門計(jì)算速度由

7、紙帶上各點(diǎn)計(jì)算速度。3.實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)利用自由落體運(yùn)動(dòng)的閃光照片驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。-15-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二例2利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。-16-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二(1)實(shí)驗(yàn)步驟。將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上,桌面高度不低于1m,將導(dǎo)軌調(diào)至水平。用游標(biāo)卡尺測(cè)量擋光條的寬度l=9.30mm。由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門中心之間的距離x= cm。將滑塊移至光電門1左側(cè)某處,待砝碼靜止不動(dòng)時(shí),釋放滑塊,要求砝碼落地前擋光條已通過(guò)光電門2。從數(shù)字計(jì)時(shí)器(圖中未畫出)上分別讀出擋光條通過(guò)光電門1和光電門2所用的時(shí)間t1和t2。用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量m0,再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量m。-

8、17-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二(2)用表示直接測(cè)量量的字母寫出下列所求物理量的表達(dá)式:滑塊通過(guò)光電門1和光電門2時(shí)瞬時(shí)速度分別為v1=和v2=。當(dāng)滑塊通過(guò)光電門1和光電門2時(shí),系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動(dòng)能分別為Ek1=和Ek2=。在滑塊從光電門1運(yùn)動(dòng)到光電門2的過(guò)程中,系統(tǒng)勢(shì)能的減少Ep=(重力加速度為g)。(3)如果Ep=,則可認(rèn)為驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。-18-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二解析:(1)由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門中心之間的距離x=80.30cm-20.30cm=60.00cm。(2)由于擋光條寬度很小,因此將擋光條通過(guò)光電門時(shí)的平均速度看作瞬時(shí)速度,擋光條的寬度l可用游標(biāo)卡尺測(cè)量,擋光

9、時(shí)間t可從-19-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二(3)兩光電門中心之間的距離x為砝碼和托盤下落的高度,系統(tǒng)勢(shì)能的減小量Ep=mgx,最后對(duì)比Ek2-Ek1與Ep數(shù)值大小,若在誤差允許的范圍內(nèi)相等,就驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。-20-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二例3(2016江蘇卷)某同學(xué)用如圖1所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。一根細(xì)線系住鋼球,懸掛在鐵架臺(tái)上,鋼球靜止于A點(diǎn)。光電門固定在A的正下方,在鋼球底部豎直地粘住一片寬度為d的遮光條。將鋼球拉至不同位置由靜止釋放,遮光條經(jīng)過(guò)光電門的擋光時(shí)間t可由計(jì)時(shí)器測(cè)出,取v=作為鋼球經(jīng)過(guò)A點(diǎn)時(shí)的速度。記錄鋼球每次下落的高度h和計(jì)時(shí)器示數(shù)t,計(jì)算并比較鋼球在釋放點(diǎn)和A點(diǎn)之間的勢(shì)能變化

10、大小Ep與動(dòng)能變化大小Ek,就能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。-21-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二(1)用Ep=mgh計(jì)算鋼球重力勢(shì)能變化的大小,式中鋼球下落高度h應(yīng)測(cè)量釋放時(shí)的鋼球球心到之間的豎直距離。A.鋼球在A點(diǎn)時(shí)的頂端B.鋼球在A點(diǎn)時(shí)的球心C.鋼球在A點(diǎn)時(shí)的底端(2)用Ek=mv2計(jì)算鋼球動(dòng)能變化的大小。用刻度尺測(cè)量遮光條寬度,示數(shù)如圖2所示,其讀數(shù)為 cm。某次測(cè)量中,計(jì)時(shí)器的示數(shù)為0.0100s,則鋼球的速度為v= m/s。-22-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二(3)下表為該同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:他發(fā)現(xiàn)表中的Ep與Ek之間存在差異,認(rèn)為這是由于空氣阻力造成的。你是否同意他的觀點(diǎn)?請(qǐng)說(shuō)明理由。(4)請(qǐng)你提出一條減小上述差異的

11、改進(jìn)建議。答案:(1)B(2)1.50(1.491.51都算對(duì))1.50(1.491.51都算對(duì))(3)不同意。因?yàn)榭諝庾枇?huì)造成Ek小于Ep,但表中Ek大于Ep。(4)分別測(cè)出光電門和球心到懸點(diǎn)的長(zhǎng)度L和l,計(jì)算Ek時(shí)將v折算成鋼球的速度v= v。-23-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二解析:(1)因?yàn)檠芯繉?duì)象是鋼球,鋼球下落的高度應(yīng)為初末位置球心之間的豎直距離。(2)應(yīng)用毫米刻度尺測(cè)長(zhǎng)度時(shí),測(cè)量結(jié)果應(yīng)估讀到毫米的下一位,故讀數(shù)為15.0mm=1.50cm。據(jù)公式v= =1.50m/s知鋼球過(guò)A點(diǎn)時(shí)瞬時(shí)速度為1.50m/s。(3)若考慮空氣阻力的影響,下落過(guò)程由能量守恒定律知減少的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為鋼球的動(dòng)能和

12、因克服阻力做功產(chǎn)生的內(nèi)能,即Ep=Ek+Q熱,故Ek小于Ep,但表中Ek大于Ep,所以不同意該同學(xué)的觀點(diǎn)。(4)由題中實(shí)驗(yàn)裝置可知造成這種現(xiàn)象的原因是所測(cè)的鋼球通過(guò)光電門時(shí)的速度并不是鋼球通過(guò)A點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度,若要知道鋼球通過(guò)A點(diǎn)的準(zhǔn)確速度,需測(cè)出光電門和球心分別到懸點(diǎn)的距離L和l,則由公式v=L和v=l,折算出鋼球的準(zhǔn)確速度為v= v。-24-命題點(diǎn)一命題點(diǎn)二思維點(diǎn)撥小球下落的高度h是初、末位置球心之間的高度差;掌握刻度尺讀數(shù)的方法,需估讀一位;根據(jù)某段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度求出最低點(diǎn)小球的速度;根據(jù)動(dòng)能表達(dá)式,從而得出動(dòng)能的增加量,再結(jié)合下降的高度求出重力勢(shì)能的減少量。結(jié)合

13、實(shí)驗(yàn)的裝置與實(shí)驗(yàn)的原理,分析誤差產(chǎn)生的原因,從而提出建議。-25-1.(2018山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)二診)某同學(xué)用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。實(shí)驗(yàn)所用的電源為學(xué)生電源,可以提供輸出電壓為6V的交變電流和直流電,交變電流的頻率為50Hz。重錘從高處由靜止開始下落,重錘拖著的紙帶上打出一系列的點(diǎn),對(duì)紙帶上的點(diǎn)測(cè)量并分析,即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。-26-(1)他進(jìn)行了下面幾個(gè)操作步驟:A.按照?qǐng)D示的裝置安裝器件;B.將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出”上;C.用天平測(cè)出重錘的質(zhì)量;D.先接通電源,后釋放紙帶,打出一條紙帶;E.測(cè)量紙帶上某些點(diǎn)間的距離;F.根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重錘下落過(guò)程中減少的重

14、力勢(shì)能是否等于其增加的動(dòng)能。其中沒有必要進(jìn)行的步驟是,操作不當(dāng)?shù)牟襟E是。(填選項(xiàng)字母)-27-(2)這位同學(xué)進(jìn)行正確測(cè)量后挑選出一條點(diǎn)跡清晰的紙帶進(jìn)行測(cè)量分析,如圖乙所示,其中O點(diǎn)為起始點(diǎn),A、B、C、D、E、F為六個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)。根據(jù)紙帶上的測(cè)量數(shù)據(jù),可得出打B點(diǎn)時(shí)重錘的速度為 m/s。(保留3位有效數(shù)字)-28-29-(4)他進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)存在較大誤差,為此對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn),用如圖丙所示的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律:通過(guò)電磁鐵控制的小鐵球從A點(diǎn)自由下落,下落過(guò)程中經(jīng)過(guò)光電門B時(shí),通過(guò)與之相連的毫秒計(jì)時(shí)器(圖中未畫出)記錄擋光時(shí)間t,用毫米刻度尺測(cè)出A、B之間的距離h,用游標(biāo)卡尺測(cè)得

15、小鐵球的直徑d。重力加速度為g。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)調(diào)整光電門位置使小鐵球下落過(guò)程中球心通過(guò)光電門中的激光束。小鐵球通過(guò)光電門時(shí)的瞬時(shí)速度v=。如果d、t、h、g滿足關(guān)系式,就可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。-30-解析:(1)要驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,需要驗(yàn)證mv2=mgh,則只需驗(yàn)證v2=2gh即可,故不需要測(cè)出重錘的質(zhì)量,所以沒有必要進(jìn)行的步驟是C。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器只能使用交流電源,故操作不當(dāng)?shù)牟襟E是B。(2)由勻變速直線運(yùn)動(dòng)的中間時(shí)刻速度推論可得,B點(diǎn)的速度(3)由關(guān)系式v2=2gh可知,v2-h圖象應(yīng)是過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線,故選C。(4)小鐵球通過(guò)光電門的時(shí)間很短,故可用小鐵球經(jīng)過(guò)光電門的平均速度近似求出小鐵球通過(guò)光電

16、門的瞬時(shí)速度,-31-2.(2016全國(guó)卷)某同學(xué)用圖(a)所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,其中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源為交流電源,可以使用的頻率有20Hz、30Hz和40Hz。打出紙帶的一部分如圖(b)所示。該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中沒有記錄交流電源的頻率f,需要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他題給條件進(jìn)行推算。-32-(1)若從打出的紙帶可判定重物勻加速下落,利用f和圖(b)中給出的物理量可以寫出:在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出B點(diǎn)時(shí),重物下落的速度大小為,打出C點(diǎn)時(shí)重物下落的速度大小為,重物下落的加速度大小為。圖(b)(2)已測(cè)得s1=8.89cm,s2=9.50cm,s3=10.10cm;當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮?.80m/s2,實(shí)驗(yàn)中

17、重物受到的平均阻力大小約為其重力的1%。由此推算出f為 Hz。-33-34-3.(2017福建泉州五校聯(lián)考)如圖甲所示,一位同學(xué)利用光電計(jì)時(shí)器等器材做驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)。有一直徑為d、質(zhì)量為m的金屬小球由A處由靜止釋放,下落過(guò)程中能通過(guò)A處正下方、固定于B處的光電門,測(cè)得A、B間的距離為H(Hd),光電計(jì)時(shí)器記錄下小球通過(guò)光電門的時(shí)間為t,當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹間。則:-35-(1)如圖乙所示,用游標(biāo)卡尺測(cè)得小球的直徑d= mm。(2)小球經(jīng)過(guò)光電門B時(shí)的速度表達(dá)式為vB=。(3)多次改變高度H,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),作出隨H的變化圖象如圖丙所示,當(dāng)圖中已知量t0、H0和重力加速度g及小球的直徑d滿

18、足表達(dá)式時(shí),可判斷小球下落過(guò)程中機(jī)械能守恒。(4)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)動(dòng)能增加量Ek總是稍小于重力勢(shì)能減少量Ep,增加下落高度后,則Ep-Ek將(填“增大”“減小”或“不變”)。-36-解析:(1)主尺刻度為7mm,游標(biāo)尺對(duì)齊的刻度為5,讀數(shù)為7球的動(dòng)能增加量Ek總是稍小于重力勢(shì)能減少量Ep,主要原因是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中克服阻力做功,使小球的一部分重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,當(dāng)增大H時(shí),阻力做功隨之增大。-37-4.(2017黑龍江哈爾濱模擬)用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證m1、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒。m2從高處由靜止開始下落,m1上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn),對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測(cè)量,即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。如圖乙給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶:0是打下的第一個(gè)點(diǎn),每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)(圖中未標(biāo)出),所用電源的頻率為50Hz,計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖乙所示。已知m1=50g、m2=150g。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)則:-38-(1)在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v5= m/s;(2)在打下第0點(diǎn)到打下第5點(diǎn)的過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)能的增量Ek= J,系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量Ep=J;(當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭取10m/s2)(3)若某同學(xué)作出v2-h圖象如圖丙所示,則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭= m/s2。-39-答案:(1)2.4(2)0.580.60(3)9.7