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实验：验证机械能守恒定律,一、实验目的 1.会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。 2.掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。,mgh,mgh,三、实验器材 铁架台(带铁夹)、_、重锤(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、_。,打点计时器,低压交流电源,四、实验步骤 1.安装置：按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。,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_打点计时器的地方。先_，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做35次实验。,靠近,接通电源,3.选纸带：选取点迹较为清晰且开始的两点间距离约为_的纸带，把纸带上打出的第一个点作为起始点，记作O，在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、3 4.测距离：用刻度尺测出O点到1、2、3的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3,2 mm,五、数据处理 1.计算各点对应的瞬时速度：记下第1个点的位置O，在纸带上从离O点适当距离开始选取几个计数点1、2、3并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3再根据公式vn_，计算出1、2、3、4、n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4vn。,原点,g,六、误差分析 1.在进行长度测量时，测量及读数不准造成误差。 2.重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成_，下落高度越大，机械能损失越多，所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象。 3.由于交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而产生误差。 七、注意事项 1.应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有： (1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小_。 (2)应选用质量和密度较_的重物，增大重力可使阻力的影响相对_，增大密度可以减小体积，使空气阻力减小。,内能,摩擦阻力,大,减小,实验原理与操作,试题案例 例1 如图1为验证“机械能守恒定律”的实验装置示意图。现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题：,图1,(1)为完成此实验，除了所给的器材外，还需要的器材有_。(填入正确选项前的字母) A.米尺B.秒表 C.012 V的直流电源D.012 V的交流电源 (2)下面列举了该实验的几个操作步骤： A.按照图示的装置安装器材 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增加的动能 其中操作不当的步骤是_。,(3)实验中误差产生的原因有_ _(写出两个原因)。 (4)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值。根据打出的纸带，选取纸带上连续的五个点A、B、C、D、E，测出各点之间的距离如图2所示。使用交流电源的频率为f，则计算重锤下落的加速度的表达式a_。(用x1、x2、x3、x4及f表示),图2,解析(1)为完成此实验，除了所给的器材外，还需要米尺、012 V的交流电源。 (2)其中操作不当的步骤是将打点计时器接到电源的“直流输出”上，打点计时器需要交流电源。 (3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算重力势能变化时，选取初、末两点距离过近；交流电源频率不稳定等。,答案(1)AD(2)B(3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时，选取初、末两点距离过近；交流电源频率不稳定,针对训练1 (2018宁波高一检测)在“验证机械能守恒定律”的实验中： (1)下列物理量中需要用工具直接测量的有() A.重物的质量 B.重力加速度 C.重物下落的高度 D.与重物下落高度对应的重物的瞬时速度,解析(1)在“验证机械能守恒定律”的实验中，只需要用刻度尺测量重物下落的高度，重物的质量不用测量，重力加速度不需要测量，通过计算可以得到与重物下落高度对应的重物的瞬时速度。故选C。,答案(1)C(2)过原点的倾斜直线重力加速度g,实验数据的处理,试题案例 例2 (2018襄阳高一检测)某同学做“验证机械能守恒定律”实验时，不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏，损坏的是前端部分，剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图中，单位是cm。打点计时器工作频率为50 Hz，重力加速度g取9.8 m/s2。,图3,(1)重物在2点的速度v2_，在5点的速度v5_，此过程中动能增加量Ek_，重力势能减少量Ep_。由以上可得出实验结论_ _。 (2)重物获得的动能往往_(填“大于”“小于”或“等于”)减少的重力势能，实验中产生系统误差的原因是_。,(3)根据实验判断下列图像正确的是(其中Ek表示重物动能的变化量，h表示物体下落的高度)(),(2)由于纸带受到摩擦力作用，需克服摩擦力做功，所以获得的动能小于减少的重力势能。 (3)重物机械能守恒，重物减少的重力势能转化为增加的动能，即Ekmgh，可见重物增加的动能与下落的距离成正比，选项C正确。 答案(1)1.50 m/s2.075 m/s1.03m J1.06m J在误差允许的范围内，机械能守恒 (2)小于纸带受到摩擦力作用(3)C,针对训练2 某同学用图4甲所示的实验装置“验证机械能守恒定律”，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20 Hz、30 Hz和40 Hz，打出纸带的一部分如图乙所示。该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他条件进行推算。,图4,(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用f和图乙中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为_，打出C点时重物下落的速度大小为_，重物下落的加速度大小为_。 (2)已测得s18.89 cm，s29.50 cm，s310.10 cm；当地重力加速度大小为9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%。由此推算出f为_Hz。,实验创新设计,试题案例 例3 (2018青岛高一检测)利用如图5所示实验装置来“验证机械能守恒定律”。通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落，下落过程中小铁球经过光电门B时，毫秒计时器(图中未画出)记录下小铁球的挡光时间t。实验前调整光电门位置，使小球下落过程中，小铁球球心垂直细激光束通过光电门，当地重力加速度为g。,图5,(1)为了验证小铁球下落过程中机械能是否守恒，还需要测量的物理量是_。 A.A点距地面的高度H B.A、B之间的距离h C.小铁球从A到B的下落时间tAB D.小铁球的直径d (2)小铁球通过光电门时的瞬时速度v_；要验证小铁球下落过程中机械能是否守恒，只需验证等式_是否成立即可(用实验中测得物理量的符号表示)。,解析(1)根据实验原理可知，需要测量的是A点到光电门B的距离，故A错误，B正确；利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度，不需要测量下落时间，故C错误；利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度时，需要知道挡光物体的尺寸，因此需要测量小球的直径，故D正确。,针对训练3 现利用如图6所示装置验证机械能守恒定律。图中AB是固定的光滑斜面，斜面的倾角为30，1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的光电计时器都没有画出。让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为5.00102 s、2.00102 s。已知滑块质量为2.00 kg，滑块沿斜面方向的长度为5.00 cm，光电门1和2之间的距离为0.54 m，g取9.80 m/s2，取滑块经过光电门时的速度为其平均速度。,图6,(1)滑块经过光电门1时的速度v1_ m/s，通过光电门2时的速度v2_ m/s。 (2)滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为_J，重力势能的减少量为_J。,答案(1)1.002.50(2)5.255.29,
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