1、实验6 验证机械能守恒定律,-2-,一、实验目的 验证机械能守恒定律。 二、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。,-3-,三、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)。 四、实验步骤 1.安装置:按图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。,-4-,2.打纸带:将纸带的一端用夹子固定在重物上,另一
2、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35次实验。 3.选纸带:分两种情况说明,-5-,五、数据处理及验证方案 1.求瞬时速度,-6-,2.验证机械能守恒,-7-,六、误差分析 1.系统误差 本实验中因重锤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Ek稍小于重力势能的减少量Ep,即EkEp,这属于系统误差,改进的方法是调整器材的安装,尽可能减小阻力。 2.偶然误差 本实验的另一个误差来源于长度的测量,属于偶然误差。减小误差的方法是测下落距离时都从O点测量,一次
3、将各打点对应的下落高度测量完,或者多次测量取平均值。,-8-,七、注意事项 1.打点计时器要竖直: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.选重物:重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。 3.测长度: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,纸带也不宜过长,有效长度可在6080 cm之间。,-9-,1.做验证机械能守恒定律实验时,可以不测量重锤的质量,只需要比较哪几个物理量的关系就能够验证?,2.计算某点的瞬时速度时,可以用v=gt来计算吗?为什么? 提示：不可以;因为重锤下落时受空气阻力,加速度ag。,-10-,考点
4、一,考点二,考点三,实验原理与操作 例1在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中,电源的频率为50 Hz,依次打出的点为0、1、2、3、4、n。则:(1)如用第2点到第6点之间的纸带来验证,必须直接测量的物理量为 、 、 ,必须计算出的物理量为 、 ,验证的表达式为 。,-11-,考点一,考点二,考点三,(2)下列实验步骤操作合理的排列顺序是 (填写步骤前面的字母)。 A.将打点计时器竖直安装在铁架台上 B.接通电源,再松开纸带,让重物自由下落 C.取下纸带,更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验 D.将重物固定在纸带的一端,让纸带穿过打点计时器,用手提着纸带 E.选择一条纸带,用刻度尺测
5、出物体下落的高度h1、h2、h3、hn,计算出对应的瞬时速度v1、v2、v3、vn F.分别算出 和mghn,在实验误差范围内看是否相等,答案,解析,-12-,考点一,考点二,考点三,特别提醒计算瞬时速度时应根据“匀变速直线运动中某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度”进行求解,而不能用v=gt进行求解。,-13-,考点一,考点二,考点三,数据处理与误差分析 例2在验证机械能守恒定律的实验中,某同学利用图甲中器材进行实验,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0.02 s打一个点,g取9.8 m/s2,图
6、中测量结果记录在下面的表格中。,-14-,考点一,考点二,考点三,(1)观察纸带,可知连接重物的夹子应夹在纸带的 (选填“左”或“右”)端; (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0.6 kg,那么在从A到B运动过程中,动能的增加量为 J,重力势能的减少量为 J。,答案,解析,-15-,考点一,考点二,考点三,规律总结验证机械能守恒定律实验题多是对教材实验或常见练习题进行器材和装置的改换而成,解决此类问题的思路是从机械能守恒的方程出发,按照实验题目的要求,进行实验的设计或有关量的测量。,-16-,考点一,考点二,考点三,实验的改进与创新 在高考中往往以教材上的实验为背景
7、,通过改变实验条件、实验仪器设置题目,不脱离教材而又不拘泥于教材,体现开放性、探究性、实验方法的改进等特点。 1.实验器材、装置的改进,-17-,考点一,考点二,考点三,2.速度测量方法的改进 由光电门计算速度 由纸带上各点计算速度 3.实验方案的改进 利用自由落体运动的闪光照片验证机械能守恒定律。,-18-,考点一,考点二,考点三,例3利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图所示。,(1)实验步骤。 将气垫导轨放在水平桌面上,桌面高度不低于1 m,将导轨调至水平。 用游标卡尺测量挡光条的宽度l=9.30 mm。 由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离x= cm。 将滑块移至光电门1左侧某处
8、,待砝码静止不动时,释放滑块,要求砝码落地前挡光条已通过光电门2。,-19-,考点一,考点二,考点三,从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间t1和t2。 用天平称出滑块和挡光条的总质量m0,再称出托盘和砝码的总质量m。 (2)用表示直接测量量的字母写出下列所求物理量的表达式: 滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1= 和v2= 。 当滑块通过光电门1和光电门2时,系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1= 和Ek2= 。 在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中,系统势能的减少Ep= (重力加速度为g)。 (3)如果Ep= ,则可认为验
9、证了机械能守恒定律。,答案,解析,-20-,考点一,考点二,考点三,特别提醒该实验的创新之处是实验器材的变化:打点计时器改用光电计时器,消除了因摩擦造成的误差,提高了速度测量的精度。,-21-,1,2,3,4,1.(2017江西南昌模拟)用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验时接通电源,质量为m2的重物从高处由静止释放,质量为m1的重物拖着纸带打出一系列的点,图乙是实验中打出的一条纸带,A是打下的第1个点,量出计数点E、F、G到A点距离分别为h1、h2、h3,每相邻两计数点的计时间隔为T,当地重力加速度为g。(以下所求物理量均用已知符号表达),-22-,1,2,3,4,-23-,1,2
10、,3,4,-24-,1,2,3,4,-25-,1,2,3,4,2.某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源电压为6 V,频率为50 Hz。重物从高处由静止开始下落,重物拖着的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。,-26-,1,2,3,4,(1)这位同学进行正确操作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为六个计数点。根据纸带上的测量数据,当打B点时重物的速度为 m/s。(保留3位有效数字),-27-,1,2,3,4,(2)他继续根据纸带算出各点的速度v,量出下落距离h,并以 为纵轴,以h
11、为横轴画出的图象,应是图中的 。,-28-,1,2,3,4,(3)他进一步分析,发现本实验存在较大误差,为此对实验设计进行了改进,用如图丙所示的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,下落过程中经过光电门B时,通过与之相连的毫秒计时器(图中未画出)记录挡光时间t,用毫米刻度尺测出AB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。实验前应调整光电门位置使小球下落过程中球心通过光电门中的激光束,则小铁球通过光电门时的瞬时速度v= 。如果d、t、h、g存在关系式 ,就可验证机械能守恒定律。,-29-,1,2,3,4,(4)比较两个方案,改进后的方案相比原方案
12、最主要的优点是 。,答案,解析,-30-,1,2,3,4,3.(2016课标全国)某同学用图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源的频率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x1=8.89 cm,x2=9.50 cm,x3=10.10 cm;当地重力
13、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。,-31-,1,2,3,4,-32-,1,2,3,4,-33-,1,2,3,4,4.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0.05 s闪光一次,如图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9.8 m/s2,小球质量m=0.2 kg,结果保留3位有效数字),-34-,1,2,3,4,(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,重力势能的增量Ep= J,动能的减少量Ek= J; (3)在误差允许的范围内,若Ep与Ek近似相等,即验证了机械能守恒定律。由上述计算得Ep (选填“”“”或“=”)Ek,造成这种结果的主要原因是 。,答案,解析,
