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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,实验六,验证机械能守恒定律,第五章 机械能,内容索引,过好双基关,命题点,一,教材原型实验,命题点,二,实验拓展创新,1,过好双基关,1.,实验目的,验证机械能守恒定律,.,2.,实验原理,(,如图所示,),通过实验，求出做自由落体运动物体的,和相应过程动能的增加量，若二者,相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律,.,3.,实验器材,打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、,、铁架台,(,带铁夹,),、导线两根,.,重力势,能的减少量,刻度尺,基本实验要求,4.,实验步骤,(1),安装器材：将,固定在铁架台上，用导线将打点计时器与低压电源相连,.,(2),打纸带,用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，先,，再,，让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打出一系列的点，取下纸带，换上新的纸带重打几条,(3,5,条,),纸带,.,打点计时器,接通电源,松开纸带,(3),选纸带：分两种情况说明,若选第,1,点,O,到下落到某一点的过程，即用,来验证，应选点迹清晰，且,1,、,2,两点间距离小于或接近,的纸带,.,用,m,v,B,2,m,v,A,2,mg,h,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小于或接近,2 mm,就无关紧要了,.,5.,实验结论,在,的范围内，自由落体运动过程机械能守恒,.,2 mm,误差允许,1.,误差分析,(1),测量误差：减小测量误差的方法，一是测下落距离时都从,0,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),系统误差：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,E,k,m,v,n,2,必定稍,于重力势能的减少量,E,p,mgh,n,，改进办法是,调整安装的器材，尽可能地减小,.,小,阻力,规律方法总结,2.,注意事项,(1),打点计时器要竖直：安装打点计时器时要,架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内，以减少,.,(2),重物应选用质量大、体积小、密度大的材料,.,(3),应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落,.,(4),测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用,v,n,，不能用,v,n,或,v,n,gt,来计算,.,竖直,摩擦阻力,3.,验证方案,方案一：利用起始点和第,n,点计算,代入,mgh,n,和,m,v,n,2,，如果在实验误差允许的范围内，,mgh,n,和,m,v,n,2,相等，则,验证了机械能守恒定律,.,方案二：任取两点计算,(1),任取两点,A,、,B,，测出,h,AB,，算出,mgh,AB,.,(2),算出,m,v,B,2,m,v,A,2,的值,.,(3),在实验误差允许的范围内，若,mgh,AB,m,v,B,2,m,v,A,2,，则验证了机械能守恒定律,.,方案三：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,v,2,，然后以,v,2,为纵轴，以,h,为横轴，根据实验数据作出,v,2,h,图象,.,若在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为,的直线，则验证了机械能守恒定律,.,g,2,命题点一,教材原型实验,(2016,北京理综,21(2),利用图装置做,“,验证机械能守恒定律,”,实验,.,(1),为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任,意两点间的,_.,A.,动能变化量与势能变化量,B.,速度变化量和势能变化量,C.,速度变化量和高度变化量,【,例,1】,答案,(2),除带夹子的重物、纸带、铁架台,(,含铁夹,),、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是,_.,A.,交流电源,B.,刻度尺,C.,天平,(,含砝码,),答案,分析,(3),实验中，先接通电源，再释放重物，得到图所示的一条纸带,.,在纸带上选取三个连续打出的点,A,、,B,、,C,，测得它们到起始点,O,的距离分别为,h,A,、,h,B,、,h,C,.,已知当地重力加速度为,g,，打点计时器打点的周期为,T,.,设重物的质量为,m,.,从打,O,点到打,B,点的过程中，重物的重力势能变化量,E,p,_,，动,能变化量,E,k,_.,答案,分析,mgh,B,(4),大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是,_.,A.,利用公式,v,gt,计算重物速度,B.,利用公式,v,计算重物速度,C.,存在空气阻力和摩擦阻力的影响,D.,没有采用多次实验取平均值的方法,答案,(5),某同学想用下述方法研究机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点,O,的距离,h,，计算对应计数点的重物速度,v,，描绘,v,2_,h,图象，并做如下判断：若图象是一条过原点的直线，则重物下落过程中机械能守恒，请你分析论证该同学的判断是否正确,.,答案,解析,不正确，理由见解析,题组阶梯突破,1.(2016,全国,卷,22),某同学用图,(a),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,(b),所示,.,(a),(b),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题给条件进行推算,.,(1),若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用,f,和图,(b),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,_.,答案,解析,A,、,C,的时间中点,B,、,D,的时间中点,分析,(2),已测得,s,1,8.89 cm,，,s,2,9.50 cm,，,s,3,10.10 cm,；当地重力加速度大小为,9.80 m/s,2,，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.,答案,解析,重物下落的过程中，由牛顿第二定律可得,mg,F,阻,ma,由已知条件,F,阻,0.01,mg,由,得,a,0.99,g,40,2.,如图是用,“,落体法,”,验证机械能守恒定律的实验装置,.(,g,取,9.80 m/s,2,),(1),选出一条清晰的纸带如图甲所示，其中,O,点为打点计时器打下的第一个点，,A,、,B,、,C,为三个计数点，打点计时器通以频率为,50 Hz,的交变电流,.,用分度值为,1 mm,的刻度尺测得,OA,12.41 cm,，,OB,18.90 cm,，,OC,27.06 cm,，在计数点,A,和,B,、,B,和,C,之间还各有一个点，重锤的质量为,1.00 kg.,甲同学根据以上数据算出：当打点计时器打到,B,点时重锤的重力势能比开始下落时减少了,_J,；此时重锤的速度,v,B,_m/s,，此时重锤的动能比开始下落时增加了,_J.(,结果均保留三位有效数字,),答案,解析,1.85,1.83,1.67,(2),某同学利用他自己实验时打出的纸带，测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离,h,，算出了各计数点对应的速度,v,，然后以,h,为横轴、,以,v,2,为纵轴作出了如图乙所示的图线，图线的斜率近似等于,_.,A.19.6,B.9.8,C.4.90,图线未过原点,O,的原因是,_.,答案,解析,先释放了纸带，再合上打点计时器的开关,3.,某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，发现实验误差较大,.,为了减小误差，该同学设计出如图乙所示的实验装置,来验证机械能守恒定律,.,实验前调整光电门位置，使小铁球,下落通过光电门时球心能挡住激光束,.,实验时，小铁球从,A,点自由下落，经过光电门,B,时，通过毫秒计时器,(,图中未画,出,),记录挡光时间,t,，用毫米刻度尺测出,A,、,B,之间的距离,h,，,用游标卡尺测得小铁球的直径,d,.,重力加速度为,g,.,则小铁球通,过光电门时的瞬时速度,v,_.,如果测量的,d,、,t,、,h,、,g,满足,关系式,_,，即可验证机械能守恒定律,.,答案,解析,3,3,命题点二,实验拓展创新,某同学用如图所示的装置验证机械能守恒定律,.,一根细线系住钢球，悬挂在铁架台上，钢球静止于,A,点，光电门固定在,A,的正下方，在钢球底部竖直地粘住一片宽度为,d,的遮光条,.,将钢球拉至不同位置由静止释,放，遮光条经过光电门的挡光时间,t,可由计时器测出，取,v,作为钢球经,过,A,点时的速度,.,记录钢球每次下落的高度,h,和计,时器示数,t,，计算并比较钢球在释放点和,A,点之,间的势能变化大小,E,p,与动能变化大小,E,k,，就,能验证机械能是否守恒,.,【,例,2】,(1),用,E,p,mgh,计算钢球重力势能变化的大小，式中钢球下落高度,h,应测量释放时的钢球球心到,_,之间的竖直距离,.,A.,钢球在,A,点时的顶端,B.,钢球在,A,点时的球心,C.,钢球在,A,点时的底端,答案,分析,题眼,(2),用,E,k,m,v,2,计算钢球动能变化的大小，用刻度,尺测量遮光条宽度，示数如图所示，其读数为,_cm.,某次测量中，计时器的示数为,0.010 0 s,，则钢球的速度为,v,_m/s.,答案,解析,遮光条的宽度,d,1.50 cm,，钢球的速度,v,1.50 m/s.,1.50,1.50,(3),下表为该同学的实验结果：,答案,解析,不同意，因为空气阻力会造成,E,k,小于,E,p,，但表中,E,k,大于,E,p,.,E,p,(,10,2,J),4.892,9.786,14.69,19.59,29.38,E,k,(,10,2,J),5.04,10.1,15.1,20.0,29.8,他发现表中的,E,p,与,E,k,之间存在差异，认为这是由于空气阻力造成的,.,你是否同意他的观点？请说明理由,.,不同意理由见解析,(4),请你提出一条减小上述差异的改进建议,.,答案,分别测出光电门和球心到悬点的长度,L,和,l,，计算,E,k,时，将,v,折算成钢球的速度,v,v,.,解析,见解析,题组阶梯突破,4.,某研究性学习小组利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示,.,在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电传感器,A,、,B,，滑块,P,上固定一遮光条，若光线被遮光条遮挡，光电传感器会输出高电压，两光电传感器采集数据后与计算机相连,.,滑块在细线的牵引下向左加速运动，遮光条经过光电传感器,A,、,B,时，通过计算机可以得到如图乙所示的电压,U,随时间,t,变化的图象,.,(1),实验前，接通气源，将滑块,(,不挂钩码,),置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的,t,1,_,t,2,(,选填,“,”“,”,或,“,”,),时，说明气垫导轨已经水平,.,答案,解析,实验前，接通气源，将滑块,(,不挂钩码,),置于气垫导轨上，轻推滑块，当图乙中的,t,1,t,2,时，说明滑块已经匀速运动，说明气垫导轨已经水平,.,(2),用游标卡尺测遮光条宽度,d,，测量结果如图丙所示，则,d,_mm.,答案,解析,5.0,用游标卡尺测遮光条宽度,d,，则,d,5.0 mm.,(3),滑块,P,用细线跨过气垫导轨左端的定滑轮与钩码,Q,相连，钩码,Q,的质量为,m,.,将滑块,P,由图甲所示位置释放，通过计算机得到的图象如图乙所示，若,t,1,、,t,2,和,d,已知，要验证滑块和砝码组成的系统机械能是否守恒，还应测出,_(,写出物理量的名称及符号,).,答案,解析,滑块质量,M,和两光电门间距离,L,(4),若上述物理量间满足关系式,_,，则表明在上述过程中，滑块和砝码组成的系统机械能守恒,.,答案,解析,5.(2016,全国,卷,22),某物理小组对轻弹簧的弹性势能进行探究，实验装置如图所示：轻弹簧放置在光滑水平桌面上，弹簧左端固定，右端与一物块接触而不连接，纸带穿过打点计时器并与物
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