1、-1-9 9.实验实验:验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律自主预习合作学习随堂检测首页自我检测自主阅读一、实验方法1.验证机械能守恒的定律装置如图所示,请你说出做实验用到的实验器材。答案:铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(46 V)。自我检测自主阅读2.如何测出实验中重物下落过程中重力势能的变化?答案:重物的质量用天平测出,纸带上某两点的距离等于重物下落的高度,这样就能得到重物下落过程中重力势能的变化。3.如何测出实验中重物在某点的下落速度,从而求出重物的动能?答案:纸带上第n个点的瞬时速度等于这个点前后相邻两点间的平均速度 (h
2、n+1、hn-1分别为第n+1个点、第n-1个点到第一个点的距离)。4.实验中比较物体在某两点间的动能变化与重力势能变化,就能验证机械能守恒。自我检测自主阅读二、要注意的问题1.重物下落的过程中,除了重力外会受到哪些阻力?怎样减少这些阻力对实验的影响?答案:重物下落还会受到空气阻力和摩擦阻力的影响。减小这些阻力的方法有(1)应选用质量和密度较大的重物,以减小阻力的影响;(2)安装打点计时器时,必须使两个限位孔的中线严格竖直,以减小摩擦阻力。2.重物下落时,最好选择哪两个位置作为过程的开始和终结的位置?答案:选起始点和后边的一个点分析机械能守恒方便。3.为了增加实验结果的可靠性,需要进行哪些操作
3、?答案:可以重复进行多次实验,还要在一次下落中测量多个位置的速度,比较重物在这些位置上动能和势能之和。自我检测自主阅读三、速度的测量如图所示,A、B、C是纸带上相邻的三个点,请证明:做匀变速运动的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。自我检测自主阅读1.正误辨析(1)为了减小阻力的影响,实验所用重物只要选择质量较大的物体即可。()解析:应选择密度较大且质量较大的重物。答案:(2)实验中求重物在某点的速度可以根据vn=2ghn求解。()解析:关系式vn=2ghn是根据机械能守恒定律mgh=12mv2得到的,而我们的目的是验证机械能守恒定律,故此法错误。答案:(3)实验时,应先打
4、开打点计时器电源,待打点稳定后再释放重物。()答案:自我检测自主阅读2.让物体自由下落,通过打点计时器打出纸带,有哪几种方案可以验证机械能守恒定律?3.验证机械能守恒定律实验中是否需要用到天平? 知识点一知识点二问题问题导引导引实验中,某同学计算出各点对应速度的二次方值,并测出从第一个点到这点高度差h,作出v2-h图象,如图所示,为了验证机械能守恒定律,他应该做哪些分析?要点提示计算出直线斜率为k,若在误差允许的范围内k=2g,则验证了机械能守恒定律。知识点一知识点二知识归纳知识归纳一、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。知识点一知识点二2.打纸带:
5、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35次实验。3.选纸带:选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为2 mm的纸带,把纸带上打出的两点间的距离为2 mm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、34.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知识点一知识点二知识点一知识点二知识点一知识点二知识点一知识点二(1)请指出实验装置中存在的明显错误: 。 (2)进行实验时,为保证重物下落时初速度为零,应(选填
6、“A”或“B”)。 A.先接通电源,再释放纸带B.先释放纸带,再接通电源(3)根据打出的纸带,选取纸带上连续打出的1、2、3、4四个点如图乙所示。已测出1、2、3、4到打出的第一个点O的距离分别为h1、h2、h3、h4,打点计时器的打点周期为T。若代入所测数据能满足表达式gh3=,则可验证重物下落过程机械能守恒(用题目中已测出的物理量表示)。 知识点一知识点二解析:(1)从题图甲中的实验装置中发现,打点计时器接在了“直流电源”上,打点计时器的工作电源是“低压交流电源”。因此,明显的错误是打点计时器接在了“直流电源”上。(2)为了使纸带上打下的第1个点是速度为零的初始点,应该先接通电源,让打点计
7、时器正常工作后,再释放纸带。若先释放纸带,再接通电源,当打点计时器打点时,纸带已经下落,打下的第1个点的速度不为零。因此,为保证重物下落的初速度为零,应先接通电源,再释放纸带。知识点一知识点二答案:(1)打点计时器接在了“直流电源”上(或打点计时器应接“交流电源”)知识点一知识点二知识点一知识点二知识归纳知识归纳一、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,部分机械能转化成内能,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.由于交变电流的周期不稳定,造成打点时间间隔变化而产生误差。知识点一知识点二二、注意事项
8、1.打点计时器安装要稳固,并使两限位孔的中线在同一竖直线上,以减小摩擦阻力。2.应选用质量和密度较大的重物,增大重力可使阻力的影响相对减小,增大密度可以减小体积,可使空气阻力的影响相对减小。3.实验时,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.本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m。知识点一知识点二典例剖析典例剖析【例2】在验证机械能守恒定律的实验中,有位同学按以下步骤进行实验操作:A.用天平称出重锤和夹子的质量B.固定好打点计时器,将连着重锤的纸带穿过限位孔,用手提住,且让手尽量靠近打点计时器C.松开纸带,接通电源,开始打点,并如此重复多次,以得到几条打点的纸带D.
9、取下纸带,挑选点迹清晰的纸带,记下起始点O,在距离O点较近处选择几个连续计数点(或计时点),并计算出各点的速度值E.测出各计数点到O点的距离,即得到重锤下落的高度知识点一知识点二在以上步骤中,不必要的步骤是。 有错误或不妥的步骤是。(填写代表字母)更正情况:;。 知识点一知识点二解析:A步骤可有可无,不称量重物的质量也可验证机械能守恒定律;B步骤中应让重物尽量靠近打点计时器,而不是手靠近;C步骤中应先接通电源,后释放纸带;D步骤中应选取离O点较远的点,这样测量时距离较远,测量的相对误差较小;F步骤中应计算ghn和123451.关于验证机械能守恒定律的实验中,以下说法正确的是 ()A.实验中摩擦
10、是不可避免的,因此纸带越短越好,因为纸带越短,克服摩擦力做的功就越小,误差就越小B.称出重锤的质量C.纸带上第1、2两点间距若不接近2 mm,则无论怎样处理实验数据,实验误差一定较大D.处理打完点的纸带时,可以直接利用打点计时器打出的实际点迹,而不必采用“计数点”的方法12345解析:在打纸带时,纸带太短了,不易打出符合实验要求的纸带,选项A错误;由于mgh= mv2,故称出重锤的质量是多余的,选项B错误;纸带上第1、2两点的间距不接近2 mm,是由于通电后释放重锤时操作不同步造成的,不会影响验证结果,选项C错误;处理纸带时,由于自由落体加速度较大,纸带上点迹距离较大,故可直接用实际点迹测量研
11、究。答案:D123452.用右图所示装置验证机械能守恒定律,由于电火花计时器两限位孔不在同一竖直线上,使纸带通过时受到较大的阻力,这样实验造成的结果是()A.重力势能的减少量明显大于动能的增加量B.重力势能的减少量明显小于动能的增加量C.重力势能的减少量等于动能的增加量D.以上几种情况都有可能解析:由于重物下落时要克服阻力做功,重物减少的重力势能转化为重物的动能和系统的内能,故重力势能的减少量大于动能的增加量,A正确。答案:A123453.(多选)下图是用自由落体法验证机械能守恒定律时得到的一条纸带。有关尺寸在图中已注明。我们选中n点来验证机械能守恒定律。下面举一些计算n点速度的方法,其中正确
12、的是()A.n点是第n个点,则vn=gnTB.n点是第n个点,则vn=g(n-1)T解析:vn应表示从(n-1)到(n+1)间的平均速度。C、D对,A、B错。答案:CD123454.在验证机械能守恒定律的实验中,已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz,查得当地的重力加速度g取9.8 m/s2,某同学选择了一条理想的纸带,用刻度尺测量时各计数点对应刻度尺上的读数如图所示,图中O点是打点计时器打出的第一个点,A、B、C、D分别是每打两个点取的计数点。则重物由O点运动到B点时(重物质量为m)(1)重力势能的减少量是 J,动能的增加量是 J。 (2)重力势能的减少量(选填“略大于”或“略小 于”)动
13、能的增加量,原因是 。 (3)根据计算的数据得出的结论: 。 12345解析:(1)重力势能的减少量为Ep=mghOB=m9.80.195 J=1.911m J。重物下落到B点时的速度为所以重物从开始下落到B点增加的动能为(2)略大于;由于空气阻力和限位孔的摩擦阻力做功,将部分机械能转化为了内能。(3)从以上计算的数据得出:在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能,即机械能守恒。12345答案:(1)1.911m1.89m(2)略大于见解析(3)在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能,即机械能守恒123455.现利用如图所示装置验证机械能守恒定律。图中AB是固
14、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5.0010-2 s、2.0010-2 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。(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。 12345重力势能的减少量:Ep=2.009.800.54sin 30 J5.29 J。答案:(1)1.002.50(2)5.255.29
