实验六-验证机械能守恒定律

1@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破实验六验证机械能守恒定律2@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破一、基本原理与操作原理装置图操作要领(1)安装：打点计时器竖直安装；纸带沿竖直方向拉直(2)重物：选密度大、质量大的金属块，且靠近计时器处释放(3)打纸带：让重物自由下落，纸带上打下一系列小点(4)选纸带：点迹清晰，且所选用的点在同一条直线上(5)速度：应用vn＝hn＋1－hn－12T，不能用vn＝2ghn或vn＝gt计算3@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破二、数据处理1.方案一：利用起始点和第n点计算：验证ghn＝12v2n。2.方案二：任取较远两点A、B：验证ghAB＝12v2B－12v2A。3.方案三：图象法，描绘出12v2－h图线。4@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破误差分析(1)减小测量误差：一是测下落距离时都从O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＝12mv2n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。5@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破命题角度教材原型实验实验原理与操作【例1】某同学用如图1甲所示的实验装置“验证机械能守恒定律”。实验所用的电源为学生电源，可以提供输出电压为6V的交变电流和直流电，交变电流的频率为50Hz。重锤从高处由静止开始下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点，对纸带上的点测量并分析，即可验证机械能守恒定律。(1)他进行了下面几个操作步骤：A.按照图示的装置安装器材；6@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上；C.用天平测出重锤的质量；D.先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带；E.测量纸带上某些点间的距离；F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于其增加的动能。其中没有必要进行的步骤是________，操作不当的步骤是________(均填步骤前的选项字母)。7@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破图18@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破(2)这位同学进行正确测量后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析，如图乙所示，其中O点为起始点，A、B、C、D、E、F为六个计时点。根据纸带上的测量数据，可得出打B点时重锤的速度为________m/s(保留3位有效数字)。(3)他根据纸带上的数据算出各点的速度v，量出下落距离h，并以v22为纵轴、h为横轴画出的图象应是下图的________(填选项字母)。9@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破答案(1)CB(2)1.84(3)C解析(1)应将打点计时器接到电源的“交流输出”上，选项B操作不当，因实验只需比较gh和v22的大小关系，不需要测量质量，选项C没必要。(2)打B点的速度即为AC段的平均速度，即vB＝AC－2T≈1.84m/s。(3)根据12mv2＝mgh可知，12v2与h成正比，故C项正确。10@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破拓展训练1如图2所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置“验证机械能守恒定律”。图211@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破(1)对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是________。A.重物选用质量和密度较大的金属锤B.两限位孔在同一竖直面内上下对齐C.精确测量出重物的质量D.用手托稳重物，接通电源后，撤手释放重物(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图3所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有________。12@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破图3A.OA、AD和EG的长度B.OC、BC和CD的长度C.BD、CF和EG的长度D.AC、BD和EG的长度(3)该实验小组想要测量出物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h。他们利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案。13@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破A.用刻度尺测出重物下落的高度h，并测出下落时间t，通过v＝gt计算出瞬时速度v0B.用刻度尺测出重物下落的高度h，并通过v＝2gh计算出瞬时速度C.根据物体做匀变速直线运动时，纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，计算出该点的瞬时速度，并通过计算得出高度hD.用刻度尺测出重物下落的高度h，根据物体做匀变速直线运动时，纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，计算出瞬时速度v0以上方案中只有一种正确，正确的是________。(填入相应的字母)14@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破解析(1)重物选用质量和密度较大的金属锤，减小空气阻力，以减小误差，故选项A正确；两限位孔在同一竖直面内上下对齐，减小纸带和打点计时器之间的阻力，以减小误差，故选项B正确；验证机械能守恒定律的原理是：mgh＝12mv22－12mv21，重物质量可以消掉，无需精确测量出重物的质量，故选项C错误；用手拉稳纸带，而不是托住重物，接通电源后，撤手释放纸带，故选项D错误。15@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破(2)由EG的长度可求出打F点的速度v2，打O点的速度v1＝0，但求不出OF之间的距离h，故选项A错误；由BC和CD的长度可求出打C点的速度v2，打O点的速度v1＝0，有OC之间的距离h，可以来验证机械能守恒定律，故选项B正确；由BD和EG的长度可分别求出打C点的速度v1和打F点的速度v2，有CF之间的距离h，可以来验证机械能守恒定律，故选项C正确；AC、BD和EG的长度可分别求出打B、C、F三点的速度，但BC、CF、BF之间的距离都无法求出，无法验证机械能守恒定律，故选项D错误。(3)不能用自由落体的公式再计算瞬时速度，A、B错误；重物下落的高度是用刻度尺测量的，不是计算的，选项C错误；D为验证机械能守恒定律的实验测量方案，是正确的。答案(1)AB(2)BC(3)D16@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破命题角度数据处理与分析【例2】物理兴趣小组的同学用图4甲所示的装置“验证机械能守恒定律”，电源的频率为50Hz，重锤的质量为m＝1.0kg，重力加速度g＝9.8m/s2，他们通过正确的实验操作得到了如图乙所示的纸带。为了验证机械能是否守恒，该小组同学采用了以下两种方法。图417@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破(1)方法一：打点计时器打下计时点5时重锤的瞬时速度为__________m/s，在打点计时器打下计时点0和5的过程中，重锤重力势能的变化量为ΔEp＝__________J，重锤动能的变化量为ΔEk＝__________J，若它们近似相等，则可知重锤的机械能守恒。(2)方法二：打点计时器打下计时点2时重锤的瞬时速度为__________m/s，在打点计时器打下计时点2和5的过程中，重锤重力势能的变化量为ΔEp′＝__________J，重锤动能的变化量为ΔEk′＝__________J，若它们近似相等，则可知重锤的机械能守恒。(3)以上两种方法，你认为__________(选填“方法一”或“方法二”)误差小。18@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破解析(1)根据匀变速直线运动中某段时间内的平均速度等于该段时间内中间时刻的瞬时速度可得打点计时器打下计时点5时重锤下落的速度v5＝h6－h42T＝1.155m/s，则在打点计时器打下计时点0和5的过程中，重锤重力势能的变化量ΔEp＝mgh5＝0.659J，动能的变化量ΔEk＝12mv25＝0.667J。(2)v2＝h3－h12T＝0.575m/s，ΔEp′＝mg(h5－h2)＝0.508J，ΔEk′＝12m(v25－v22)＝0.502J。19@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破(3)重锤刚下落的时候运动状态不稳定；方法二避开了刚开始的一段纸带，故方法二误差比较小。答案(1)1.1550.6590.667(2)0.5750.5080.502(3)方法二20@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破拓展训练2用自由落体法验证机械能守恒定律，器材安装如图5甲所示。图521@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破(1)请指出图甲中的错误及不妥之处(至少写出两处)：①_________________________________________________________________；②_________________________________________________________________。(2)改进实验中错误及不妥之处后，打出如图乙所示一条纸带。已知打点计时器频率为50Hz，根据纸带所给数据，打C点时重物的速度为________m/s(结果保留2位有效数字)。22@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破(3)某同学选用两个形状相同、质量不同的重物a和b进行实验，测得几组数据，画出v22－h的图象如图丙所示，求出图线的斜率k并标在图中，由图象可知a的质量m1________(选填“大于”或“小于”)b的质量m2。(4)通过分析发现，造成k2值偏小的原因是实验过程中存在各种阻力。已知实验所用重物的质量m2＝0.052kg，当地重力加速度g＝9.78m/s2，求出重物所受的平均阻力f＝________N(结果保留2位有效数字)。23@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破答案(1)①使用的是直流电源②重物离打点计时器太远(2)2.2(3)大于(4)0.031解析(1)打点计时器使用交流电；为充分利用纸带，释放时重物应靠近打点计时器；手应提着纸带上方，减小纸带与限位孔的摩擦。(3)根据12mv2＝mgh－fh，整理得v22＝(g－fm)h，所以k＝g－fm，因质量大则图象斜率k大，所以a的质量m1大于b的质量m2。(2)BD段的平均速度等于C点的瞬时速度，即vC＝xBD2T＝2.2m/s。(4)k2＝g－fm2，代入数据解得f＝0.031N。24@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破实验拓展创新命题角度实验装置的创新【例3】某同学利用如图6所示的气垫导轨装置“验证机械能守恒定律”。在气垫导轨上安装了两个光电门1、2，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过定滑轮与钩码相连。图625@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破(1)实验时要调整气垫导轨使气垫导轨水平。不挂钩码和细线，接通气源，轻推滑块，使滑块从导轨右端向左端运动，如果滑块__________________，则表示气垫导轨已调整至水平状态。(2)不挂钩码和细线，接通气源，滑块从导轨右端向左端运动的过程中，发现滑块通过光电门1的时间小于通过光电门2的时间。实施下列措施能够达到实验目标的是__________。A.调节P使轨道左端升高一些B.调节Q使轨道右端降低一些C.遮光条的宽度应适当大一些26@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破D.滑块的质量增大一些E.气源的供气量增大一些(3)实验时，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_______________________________________。27@《创新设计》实验基础梳理实验热点突破解析(1)实验时要调整气垫导轨使气垫导轨水平。不挂钩码和细线，接通气源，轻推滑块使滑块从导轨右端向左端运动，如果滑块经两个光电门的时间相等，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，滑块从导轨右端向左端运动的过程中，发现滑块通过光电门1的时间小于通过光电门2的时间。说明滑块做加速运动，也就是左端低，右端高。所以能够达到实验目的的措施是调节P使轨道左端升高一些或调节Q使轨道右端降低一