实验六验证机械能守恒定律

第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关实验六验证机械能守恒定律第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关【实验目的】验证机械能守恒定律．【实验原理】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互相转化，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，则重力势能的减少量为mgh，动能的增加量为mv2，看它们在实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．抓纲扣本·落实基础第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关2．计算打第n个点速度的方法：测出第n个点与相邻前后点间的距离xn和xn＋1，由公式vn＝xn＋xn＋12T或vn＝hn＋1－hn－12T算出，如图实Ⅵ－1所示．第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关【实验器材】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)．【实验过程】一、实验步骤1．安装置：按图实Ⅵ－2所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路．第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关2．打纸带：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次～5次实验．3．选纸带：分两种情况说明(1)用12mv2n＝mghn验证时，应选点迹清晰，且1、2两点间距离小于或接近2mm的纸带．若1、2两点间的距离大于2mm，这是由于先释放纸带、后接通电源造成的．这样，第1个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选．第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关(2)用12mv2B－12mv2A＝mgΔh验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2mm就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用．二、数据处理方法一：利用起始点和第n点计算，代入ghn和12v2n，如果在实验误差允许的条件下，ghn和12v2n相等，则验证了机械能守恒定律．第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关方法二：任取两点计算(1)任取两点A、B，测出hAB，算出ghAB.(2)算出12v2B－12v2A的值．(3)在实验误差允许的条件下，若ghAB＝12v2B－12v2A，则验证了机械能守恒定律．方法三：图象法．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12v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出12v2－h图线．若在误差允许的范围内图象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．第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关【误差分析】1．本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk＜ΔEp，这属于系统误差．改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力．2．本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差．减小误差的方法是测下落距离时都从0点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值．第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关【注意事项】1．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．重物应选用质量大、体积小的物体．3．应先接通电源，让打点计时器正常工作后，再松开纸带让重物下落．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，纸带也不易过长，有效长度可在60～80cm之间．5．不需测出物体质量，只需验证12v2n＝ghn即可.第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关［例1］在“验证机械能守恒定律”的实验中，某同学利用图实Ⅵ－3甲中器材进行实验，正确地完成实验操作后，得到一条点迹清晰的纸带，如图乙所示．在实验数据处理中，某同学取A、B两点来验证实验，已知打点计时器每隔0.02s打一个点，图中测量结果记录在下面的表格中．剖题探法·突破考点考点一实验数据的处理及误差分析第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关(1)观察纸带，可知连接重物的夹子应夹在纸带的________端(选填“左”或“右”)；(2)将表格中未填项目填写完整；(3)若重物和夹子的总质量为0.6kg，那么在AB运动过程中，动能的增加量为________J，重力势能的减少量为________J.(4)实验中误差产生的原因有_______________________________________________．(写出两个原因即可)项目x1/cmA点瞬时速度/(m·s－1)x2/cmB点瞬时速度/(m·s－1)A、B两点间距离/cm数据3.920.9812.8049.00第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关[答案](1)左(2)3.20(3)2.782.94(4)见解析[解析](1)重物刚开始运动，速度较小，点迹比较密集，故夹子应夹在纸带的左端．(2)vB＝x22T＝3.20m/s.(3)在AB运动过程中，动能的增加量为ΔEk＝12mv2B－12mv2A＝2.78J；重力势能的减少量ΔEp＝mghAB＝2.94J.(4)空气阻力；纸带受到打点计时器的阻力作用；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差(任选其二)．第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关［例2］(2013·长春模拟)某实验小组利用如图实Ⅵ－4所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒．考点二创新设计实验第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关(1)如图实Ⅵ－5所示，用游标卡尺测得遮光条的宽度d＝________mm；实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt＝1.2×10－2s，则滑块经过光电门时的瞬时速度为________m/s.在本次实验中还需要测量的物理量有：钩码的质量m、________和________(文字说明并用相应的字母表示)．第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关(2)本实验通过比较________和________在实验误差允许的范围内相等(用测量的物理量符号表示)，从而验证了系统的机械能守恒．[解析](1)遮光条的宽度d为5mm＋2×0.1mm＝5.2mm；滑块经过光电门时的瞬时速度为v＝dΔt，解得v＝0.43m/s；在本次实验中还需要测量的物理量还有滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离x及滑块的质量M.第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关[解题感悟]本实验为一验证性实验．要求根据要验证的物理规律设计实验过程、选择需要测定的物理量，这也是实验创新的根本所在．但“万变不离其宗”，科学、合理地计算出过程动能和势能的变化量再进行比较，是实验的是终目的．(2)要验证系统机械能守恒，须有mgx＝12(m＋M)dΔt2.[答案](1)5.20.43滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离x滑块的质量M(2)mgx12(m＋M)dΔt3第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关1．(2013·太原调研)一位同学做“用自由落体运动验证机械能守恒定律”的实验．(1)现有下列器材可供选择：铁架台、电磁打点计时器及复写纸、纸带若干、4～6V低压交流电源、天平、秒表、导线、电键、重锤．其中不必要的器材是：______________；缺少的器材是________________．达标训练·技能过关第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关(2)根据纸带算出相关各点的速度v，量出下落的距离h，以v2/2为纵轴，以h为横轴画出的图线应是图实Ⅵ－6中的________．第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关答案(1)天平、秒表毫米刻度尺(2)C解析(1)“用自由落体运动验证机械能守恒定律”的实验中不需要测质量，而时间是由打点计时器打出的纸带测量的，要测速度还需要用刻度尺测出计数点间距，因此不必要的器材是天平、秒表，缺少的器材是毫米刻度尺．(2)由mgh＝12mv2得gh＝v22，因此画出的图线应该是C.第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关2．(2012·南宁统考)某同学利用如图实Ⅵ－7甲所示的实验装置验证机械能守恒定律．该同学经正确操作得到打点纸带，在纸带后段每两个计时间隔取一个计数点，依次为1、2、3、4、5、6、7，测量各计数点到第一个打点的距离h，并正确求出打相应点时的速度v.各计数点对应的数据见下表．第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关(1)请在图实Ⅵ－7乙所示坐标中，描点作出v2－h图线；由图线可知，重锤下落的加速度g′＝________m/s2(保留三位有效数字)；(2)若当地的重力加速度g＝9.80m/s2，根据作出的图线，能粗略验证自由下落的重锤机械能守恒的依据是________________．计数点h/mv/(m·s－1)v2/(m·s－1)210.12420.1941.943.7630.2792.335.4340.3802.737.4550.4973.139.8060.6303.5012.370.777第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关答案(1)如图所示9.75(9.69～9.79均可)(2)g′与g基本相等解析由机械能守恒定律得12mv2＝mg′h，即v2＝2g′h，图线的斜率k＝2g′＝Δv2Δh，代入数据得g′＝9.75m/s2.第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关3．(2013·湖南十二校联考)某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律．频闪仪每隔0.05s闪光一次，图实Ⅵ－8中所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表(当地重力加速度取9.8m/s2，小球质量m＝0.2kg，结果保留三位有效数字)：时刻t2t3t4t5速度(m/s)5.595.084.58第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5＝________m/s.(2)从t2到t5时间内，重力势能增加量ΔEp＝______J，动能减少量ΔEk＝________J.(3)在误差允许的范围内，若ΔEp与ΔEk近似相等，从而验证了机械能守恒定律．由上述计算得ΔEp________ΔEk(选填“＞”“＜”或“＝”)，造成这种结果的主要原因是______________．第五章机械能及其守恒定律物理菜单抓纲扣本·落实基础剖题探法·突破考点达标训练·技能过关答案(1)4.08(2)1.421.46(3)＜原因见解析解析(1)v5＝19.14＋21.660.05×2cm/s＝408cm/s＝4.08m/s.(2)由题给条件知：h2