第4 机械能实验专题.doc

第4讲 机械能整章实验专题机械能整章实验有两个要点：1.探究做功与与速度变化的关系 2.验证机械能守恒定律（在探究弹性势能相关的方法方面也会涉及） 第一部分：典例分析探究功与速度变化关系橡皮筋小车打点计时器【例1】（08期末）某实验小组采用如图所示的装置探究功与速度的关系，小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行。打点计时器工作频率为50Hz。（1）实验中木板略微倾斜，这样做 。A是为了使释放小车后，小车能匀加速下滑 B是为了增大小车下滑的加速度C可使得橡皮筋做的功等于合外力对小车做的功D可使得橡皮筋松弛后小车做匀速运动【解析】木板略微倾斜目的是使小车重力沿斜面方向的分力可以平衡摩擦力。只选项里面没有这一项。那就要考虑平衡了摩擦力以后有什么效果。重力做功克服了摩擦力的负功，那就只有橡皮筋力一个力做功，橡皮筋力就等于合外力。C正确。如果橡皮筋松弛了，没有了橡皮筋力，小车做匀速运动。D也正确。选CD3.954.004.004.003.803.50第4次cm（2）实验中先后用同样的橡皮筋1条、2条、3条，并起来挂在小车的前端进行多次实验，每次都要把小车拉到同一位置再释放小车。把第1次只挂1条橡皮筋对小车做的功记为W，第2次挂2条橡皮筋时橡皮筋对小车做的功为2W，；橡皮筋对小车做功后而获得的速度可由打点计时器打出的纸带测出。根据第4次实验的纸带（如图所示）求得小车获得的速度为 m/s。【解析】橡皮筋对小车做功后，小车就获得了速度。只有当橡皮筋松弛了不对小车做功了，小车最终获得速度之后应做匀速直线运动。在纸带上找到做匀速直线运动的一段。V=x/t=2m/sWvO（3）若根据多次测量数据画出的Wv图象如图所示，根据图线形状可知，对W与v的关系作出猜想肯定不正确的是 。A BC D【解析】AB（4）如果Wv2的猜想是正确的，则画出的Wv2图象应是 。【解析】过原点的一条直线【例2】在用图所示装置做“探究功与速度变化关系”的实验时，下列说法正确的是（ ）A通过改变橡皮筋的条数改变拉力做功的数值B通过改变橡皮筋的长度改变拉力做功的数值C通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的最大速度D通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的平均速度【思路点拨】实验通过增加像皮筋的条数，使橡皮筋对小车做的功成倍增加，故A正确，B错误。小车的速度对应的是橡皮筋对小车做功完毕时的情形，故C正确，D错误。【答案】AC 举一反三：关于“探究功与速度变化关系”的关系实验中，下列叙述正确的是（ ）A每次实验必须设法算出橡皮筋对小车做功的具体数值B每次实验中，橡皮筋拉伸的长度没有必要保持一致C放小车的长木板应该尽量使其水平D先接通电源，再让小车在橡皮筋的作用下弹出【解析】D 本实验没有必要测出橡皮筋做的功到底是多少焦耳，只要测出以后各次实验时橡皮筋做的功是第一次实验时的多少倍就已经足够了，A错；每次实验橡皮筋拉伸的长度必须保持一致，只有这样才能保证以后各次实验时，橡皮筋做的功是第一次实验时的整数倍，B错；小车运动中会受到阻力，只有使木板倾斜到一定程度，才能减小误差，C错；实验时，应该先接通电源，让打点计时器开始工作，然后再让小车在橡皮筋的作用下弹出，D正确。【例3】某实验小组采用图所示的装置探究“动能定理”，图中小车中可放置砝码。实验中，小车碰到制动装置时，钩码尚未到达地面，打点计时器工作频率为50 Hz。（1）实验的部分步骤如下：在小车中放入砝码，把纸带穿过打点计时器，连在小车后端，用细线连接小车和钩码；将小车停在打点计时器附近， ， ，小车拖动纸带，打点计时器在纸带上打下一系列点， ；改变钩码或小车中砝码的数量，更换纸带，重复的操作。（2）图是钩码质量为0. 03 kg，砝码质量为0.02 kg时得到的一条纸带，在纸带上选择起始点O及A、B、C、D和E五个计数点，可获得各计数点到O的距离、及对应时刻小车的瞬时速度v，请将C点的测量结果填在表1中的相应位置。（3）在小车的运动过程中，对于钩码、砝码和小车组成的系统， 做正功， 做负功。（4）实验小组根据实验数据绘出了图中的图线（其中），根据图线可获得的结论是 。要验证“动能定理”，还需测量的物理量是摩擦力和 。【思路点拨】（1）使用打点计时器要先开电源，并且打点计时器指针振动稳定时再松开纸带才能打出所需要的理想的点，同时打出的点才足够多，满足实验的要求，实验完毕要及时关闭电源。（2）从图中的标尺上可读出C点对应的刻度为6.10 cm，C点离O点的距离为（6.101.00）cm=5.10 cm，其m/s=0. 49 m/s。（3）系统在运动过程中，钩码的重力与运动方向同向，而摩擦力与运动方向始终相反，因此可确定钩码受的重力做正功、摩擦力做负功。（4）图线是过原点的直线，说明，根据动能定理应有：（其中为钩码质量，为砝码质量，为小车质量）可以看出，在已知，v与已知，s已测出，除摩擦力外，还需测量的是小车的质量。【答案】（1）接通打点计时器电源；释放小车；关闭打点计时器电源（2）5.055.10；0. 480.50（答案在此范围都得分）（3）重力（钩码的重力）；摩擦力（阻力）（4） （速度平方的变化与位移成正比）；小车的质量【点评】该题是在课本实验的基础上进行了变化和创新，主要考查了灵活应用知识的能力和创新能力。举一反三：某同学在探究功与物体速度变化的关系时得到了W与v的一组数据，请你对这些数据进行处理，并确定W与v之间的关系。0.001.002.003.004.005 .006.000.000.801.101.281. 531. 761.890.000.641. 211. 642 .343. 13.57【解析】以W为纵坐标，v为横坐标作出曲线（如图甲）。以W为纵坐，为横坐标，作出曲线（如图乙）。由图象可看出：。训练题组1在探究功与物体速度变化的关系的实验中，某同学在一次实验中得到了一条如图所示的纸带，这条纸带上的点两端较密，中间疏，出现这种情况的原因可能是（ ）A电源的频率不稳定B木板倾斜程度太大C没有使木板倾斜或倾斜角太小D小车受到的阻力较大2在“探究功与物体速度变化的关系”实验中，为了计算由于橡皮筋做功而使小车获得的速度，在某次实验中某同学得到了如图所示的一条纸带，在A、B、C、D中， 应该选用哪个点的速度才符合要求（ ）第3题图3某同学用如图甲所示的装置进行“探究功与物体速度变化的关系”实验，得到图乙所示的纸带，下列说法正确的是 。A通过改变橡皮筋的条数改变拉力做功的数值B通过改变橡皮筋的长度改变拉力做功的数值C通过测量A、B两点间的距离计算小车获得的速度D通过测量B、C两点间的距离计算小车获得的速度4对于橡皮筋做的功来说，直接测量是有困难的。我们可以巧妙地避开这个难题而不影响问题的解决，只需要测出每次实验时橡皮筋对小车做的功是第一次实验的多少倍，以下使用的方法正确的是：（ ） A用同样的力对小车做功，让小车通过的距离依次为s、2s、3s进行第1次、第2次、第3次实验时，力对小车做的功就是W、2W、3W B让小车通过相同的距离，第1次力为F、第2次力为2F、第3次为3F实验时，力对小车做的功就是W、2W、3W C选用同样的橡皮筋，在实验中每次橡皮筋拉伸的长度保持一致，当用1条、2条、3条同样的橡皮筋进行第1次、第2次、第3次实验时，橡皮筋对小车做的功就是W、2W、3W D利用弹簧秤测量对小车的拉力F，利用直尺测量小车在力作用下移动的距离s，便可以求出每次实验中力对小车做的功，可控制为W、2W、3W5为了探究功与速度变化的关系，现提供如图所示的器材，让小车在橡皮筋的作用下弹出后，沿木板滑行，请思考探究思路并回答下列问题（打点计时器所用交流电频率为50 Hz)（1）为了消除摩擦力的影响应采取什么措施？ 。（2）当我们分别用同样的橡皮筋1条、2条、3条并起来进行第一次、第二次、第三次实验时，每次实验中橡皮筋拉伸的长度应保持一致，我们把第一次实验时橡皮筋对小车做的功记为。（3）由于橡皮筋对小车做功而使小车获得的速度可以由打点计时器和纸带测出，图所示是第一至四次实验打出的四条纸带。（4）试根据（2）（3）项中的信息，填写下表。次数1234橡皮筋对小车做功小车速度从表中数据可得出的结论： 。 第二部分：典例分析 验证机械能守恒定律典例分析【例1】用如图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，输出电压为6V的交流电和直流电两种。重锤从高处由静止开始落下，重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。（1）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件；B将打点计时器接到电源的直流输出端上；C用天平测量出重锤的质量；D释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带；E测量打出的纸带上某些点之间的距离；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。指出其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤，将其选项对应的字母填在下面的空行内，并说明其原因。答： 。相似性：（2）如图所示，在进行“验证机械能守恒定律”实验操作时，下列说法正确的是 。A必须测量重物的质量B应先接通电源，后释放纸带C释放纸带前，提纸带的手应靠近打点计时器D可以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的动能与势能之和（3）在“验证机械能守恒定律”的实验中，为了得出在实验误差允许范围内，重力势能的减少量等于动能的增加量，需要测量（或计算）的物理量是：（ ）A下降高度 B瞬时速度 C加速度 D重锤质量举一反三：【例2】用如图（a）所示装置验证机械能守恒定律。让一个摆球由静止开始从A位置摆到B位置，若不考虑空气阻力，小球的机械能应该守恒，即。直接测量摆球到达B点的速度v比较困难。现让小球在B点处脱离悬线做平抛运动，利用平抛的特性来间接地测出v。如图（a）当悬线摆到悬点正下方P点时刚好断掉，小球由于惯性向前飞出作平抛运动。当小球落在复写纸上时，会在下面白纸上留下痕迹。用重锤线确定出A、B点的投影点N、M。重复实验10次（小球每一次都从同一点由静止释放），球的落点痕迹如图（b）所示。AN的高度，BM的高度，算出A、B两点的竖直距离。量出M、C之间的距离x，即可验证机械能守恒定律。已知重力加速度为g，小球的质最为m。（1）根据图（b）可以确定小球平抛时的水平射程为 cm。（2）用题中所给字母表示出小球平抛时的初速度= 。（3）用测出的物理量表示出小球从A到B过程中，重力势能的减少量= ，动能的增加量 。【解】（1）把记录纸上的点痕用最小的圆圈起来，圆心对应的刻度即为小球的水平射程。（1）65.0（64.065.5）（2）小球作平抛运动，竖直方向，水平方向 由以上两式得。（3）。【例2】如图所示，质量为m =1kg 的小球用长l=0.5m 的细线拴住，细线所受拉力达到F =120N 时就会被拉断。当小球从图示位置释放后摆到悬点的正下方时，细线恰好被拉断。若此时小距水平地面的高度h=5m , 求：（P 点在悬点的正下方，g 取10m / s 2）（1）绳子刚断时小球的速度。（2）绳子刚断前瞬间拉力的大小（3）小球落地处距地面上P 点的距离。训练题组1某位同学做“验证机械能守恒定律”的实验，下列操作步骤中错误的是（ ）A把打点计时器固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源B将连有重锤的纸带穿过限位孔，将纸带和重锤提升到一定高度C先释放纸带，再接通电源D更换纸带，重复实验，根据记录处理数据2某同学验证机械能守恒定律。按照正确的操作选得纸带如图2所示。其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3个点。该同学用毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离,并记录在图2中（单位cm）。（1）这三个数据中不符合有效数字读数要求的是 段，应记作 cm。（2）该同学用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒，已知当地的重力加速度g=9.80m/s2，他用AC段的平均速度作为跟B点对应的物体的瞬时速度，则该段重锤重力势能的减少量为 ，而动能的增加量为 ，（均保留3位有效数字，重锤质量用m表示）。这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量大于动能的增加量，原因9.5115.712.42O A B Ccm图2是 。3在“验证机械能守恒定律”的实验中：（1）有以下四个实验重物，最为合理的应选择（ ） A质量为100 g的木球 B质量为10 g的砝码C质量为200 g的钩码 D质量为10 g的塑料球（2）利用打点计时器验证自由落体机械能守恒时，下列器材中不一定需要的是（ ） A、重物 B、 纸带 C、 天平 D、 低压电源 34210s1s2s3s4（3）使用质量为m的重锤和打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，在选定的纸带上依次取计数点如图所示，纸带上所打的点记录了物体在不同时刻的位置，那么纸带的 （填“左端”或“右端”）与重物相连。设打点计时器的打点周期为T，且O为打下的第一个点。当打点计时器打点“3”时，物体的动能表达式为 ，若以重物的运动起点O为参考点，当打第点“3”时物体的机械能表达式为 4在一次实验中，利用如图所示器材来验证钢球从斜槽滑下机械能守恒，实验步骤如下：（1）把斜槽固定在实验台边沿，调整斜槽出口使出口处切线水平。（2）出口处拴重垂线，使出口投影落于水平地面O点，地面铺复写纸、白纸。（3）从斜槽某一高度处同一点A从静止开始释放球多次，找出平均落地点P。则：如果斜槽厚度不计，应测量的数据有 根据应取数据字母写出机械能守恒的表达式 。5某同学利用如图所示的实验装置验证