实验探究机械能守恒定律新建

1、实验探究机械能守恒定律打点计时器文验原理图臭r术传、实验目的探究机械能守恒定律.、实验原理通过实验,求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量,假设二者相等,说明机械能守恒,从而验证机械能守恒定律.三、实验器材打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线两根.四、实验步骤1 .安装器材：按实验原理图将检查、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.更换纸带重复做次5次实验.3

2、.选纸带并处理纸带1(1)用mgh=mv2来验证,应选点迹清楚,且1、2两点间距离接近2mm的纸巾.一1cle(2)用amvBgmvA=mgAh验证时,只要A、B之间的点迹清楚即可选用.五、实验结论在误差允许的范围内,自由落体运动过程机械能守恒.题型1、对实验原理和操作的考查1. “验证机械能守恒定律的实验中应限制实验条件,使运动过程满足机械能守恒的条件,尽量减小各种阻力的影响,可采取以下举措：(1)安装打点计时器时,必须使两个限位孔的中线严格竖直,以减小摩擦阻力；(2)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,增大密度可减小体积,可使空气阻力减小.(3)释放纸带前要保持纸带竖

3、直、静止不动,先接通电源,待打点计时器工作稳定后再释放纸带.1c1c2 .头验过程中,重力势能的减少重AEp=mghn,动能的增加重AEk=2mv2,mghn=?mv2成立可验证机械能守恒定律,本实验可以不测量重物的质量.打点并时3 .速度的计算：计数点的瞬时速度不能用vn=gtn或vn=42ghn计算,由于确认重物下落的加速度为重力加速度g,即确认重物做自由落体运动,自由落体运动过程中机械能当然守恒.50Hz,依次打出的点为0,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1,2,3,4n.那么：(JiJ,二单位？“回.f1 *M131dn)(1)如用第2点到第6点之间的纸

4、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.(2)以下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,用刻度尺测出物体下落的高度hi,h2,h3hn,计算出对应的瞬时速度V1,V2,V31F.分别算出mv2和mghn,在头验反差氾围内看是否相等练习1、如下图,打点计时器固定在铁架台上,使重物带动纸带从静止开始自由下落,利用此装置验证机械能守恒定律.(1)对

5、于该实验,以下操作中对减小实验误差有利的是A.重物选用质量和密度较大的金属锤B.两限位孔在同一竖直面内上下对正C.精确测量出重物的质量D.用手托稳重物,接通电源后,撤手释放重物(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz的交流电源上,按正确操作得到了一条完整的纸带,由于纸带较长,图中有局部未画出,如下图.纸带上各点是打点计时器打出的计时点,其中O点为纸带上打出的第一个点.重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出,利用以下测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有.丁:3"N-:A.OA、AD和EG的长度B.OC、BC和CD的长度C.BD、CF和EG的长度D.AC、BD和EG的

6、长度题型2、对实验数据处理和误差分析的考查1.实验数据处理(1)以速度为零的点为起始点验证：利用第1个点(速度为零)和第n个点数据,测出两点间距h,算出第1n个点速度v,如果在实验误差允许的范围内,有mgh=1mv2,那么说明实验过程中的机械能守恒.(2)以速度不为零的点为起始点验证：任取两点A、B测出hAB,算出va、vb,如果在实验误差允许的范1 c1围内,有mghAB=2mvB2mvA,那么说明头验过程中的机械能寸恒.(3)图象验证：从纸带上选取多个点,测量从第一个点到其余各点下落的高度h,并计算各点速度的二次方v2,然后以丸2为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出2v2h图线.假设在误差

7、允许的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线,那么说明实验过程中的机械能守恒.2 .误差分析(1)空气阻力及摩擦阻力的存在产生系统误差：本实验中,由于重物和纸带在下落过程中要克服空气阻力、打点计时器对纸带的摩擦阻力做功,因此动能的增加量AEk稍小于重力势能的减少量AEp,即AEk<AEp.(2)打点计时器产生的误差：由于交流电周期的变化,引起打点时间间隔变化而产生误差.当交流电的频率升高时,实际打点时间间隔小于理论时间间隔,导致测得的速度小于实际速度；计数点选择不好,振动片振动不均匀,纸带放置方法不正确引起摩擦,造成实验误差.例2、利用图1装置做“验证机械能守恒定律实验.(1)为验证机械

8、能是否守恒,需要比拟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,速度变化量与势能变化量C.速度变化量与高度变化量(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹卜电磁打点计时器、导线及开关外,在以下器材中,还必须使用的两种器材是.B.刻度尺C.天平(含祛码)(3)实验中,先接通电源,再释放重物,得到图2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hA、hB、he.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AEp=,动能变化量AEk=图2(4)大多数学生的实验结果显示,重力势能的

9、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=4而计算重物速度C.存在空气阻力和摩擦阻力的影响D.没有采用屡次实验取平均值的方法(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v2-h图象,并做如下判断：假设图象是一条过原点的直线,那么重物下落过程中机械能守恒.请你分析论证该同学的判断依据是否正确.练习2、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0.05s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9.8m/s2,

10、小球质量m=0.4kg,结果保存3位有效数字)时刻t2t3t4t5速度(m/s)4.994.483.98(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至ijt5时间内,重力势能增量AEp=J,动能减少量AEk=J.(3)在误差允许的范围内,假设AEp与AEk近似相等,即可验证了机械能守恒定律.由上述23.68cm2fi.lScm计算得AEpAEk(选填“>“或),造成这种结果的主要原因是电火胧计时器单?上atmj课后练习1.某同学安装如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律.(1)此实验中,应当是让重物做运动,(填“需要或“不需要)测出重物的质量.(2)打点计时器

11、所用交流电的频率为50Hz,该同学选取如图乙所示的一段纸带,对BD段进行研究.求得B点对应的速度Vb=m/s(保存两位有效数字),假设再求得D点对应的速度为vd,测出重物下落的高度为hBD,那么还应计算与大小是否相等(填字母表达式).(3)但该同学在上述实验过程中存在明显的问题.安装实验装置时存在的问题是,研究纸带时存在的问题是实验误差可能较大.2 .如图甲所示的装置叫做阿特伍德机,是英国数学家和物理学家阿特伍德创制的一种著名力学实验装置,用来研究匀变速直线运动的规律.某同学对该装置加以改良后用来验证机械能守恒定律,如图乙所示.实验时,该同学进行了如下操作：将质量均为MA的含挡光片,B的含挂钩

12、的重物用绳连接后,跨放在定滑轮上,处于静止状态,测量出填“A的上外表“A的下外表或“挡光片中央到光电门中央的竖直距离h.在B的下端挂上质量为m的物块C,让系统重物A、B以及物块C中的物体由静止开始运动,光电门记录挡光片挡光的时间为At.测出挡光片的宽度d,计算有关物理量,验证机械能守恒定律.2如果系统重物A、B以及物块C的机械能守恒,应满足的关系式为重力加速度为g.3引起该实验系统误差的原因有写一条即可.4验证实验结束后,该同学突发奇想：如果系统重物A、B以及物块C的机械能守恒,不断增大物块C的质量m,重物B的加速度a也将不断增大,那么a与m之间有怎样的定量关系？a随m增大会趋于一个什么值？请

13、你帮该同学解决：写出a与m之间的关系式：还要用到M和g.a的值会趋于.3 .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20Hz、30Hz和40Hz.打出纸带的一局部如图b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题给条件进行推1假设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.2已测得si=8.89cm,S2=9.50cm,S3=10.10cm；当地重力加速度大小为9.80m/s2,实验中重物受H

14、z.到的平均阻力大小约为其重力的1%.由此推算出f为实验探究机械能守恒定律答案例1、解析1要验证从第2点到第6点之间的纸带对应重物的运动过程中机械能守恒,应测出第2点到第6点的距离h26,要计算第2点和第6点的速度V2和v6,必须测出第1点到第3点之间的距离h13和第1C1C5点到第7点之间的距离h57,机械能寸恒的表达式为mgh26=?mv62mv2.2实验操作顺序为ADBCEF.答案1第2点到第6点之间的距离h26第1点到第3点之间的距离h13第5点到第7点之间的距离h57第2点的瞬时速度V2第6点的瞬时速度V6101nmgh26=mv6mv2(2)ADBCEF练习1、解析：(1)选用质量

15、和密度较大的金属锤、限位孔对正都可以降低摩擦阻力对实验结果造成的误差,所以A、B正确；动能与重力势能表达式中都含有质量m,可以约去,故不需要测量出质量m的具体数值,C错误；重物下落之前应该用手拉住纸带上端而不是用手托住重物,D错误.1(2)测出BC和CD的长度就可以计算出打下C点时的速度vc,再测出OC的长度,就可3证mghoc=-mvC是否成立,所以B正确；测出BD、EG的长度可计算出打下C、F两点时的速度vc和vf,再测出CF11的长度,就可验证mghcF=2mvF2mvC是否成立,所以C正确.答案：(1)AB(2)BC例2、解析(1)只需要比拟重物下落过程中,任意两点间的动能变化量与势能

16、变化量是否相等,即可验证机械能是否守恒,应选A.(2)打点计时器需要接交流电源,应选A;还需要用刻度尺测量重物下落的高度,故还要选B.(3)从打O,一,一,>一,一,一,、,hehA.,一点到打B点的过程中,重物的重力势能减少mghB,变化量为一mghB；打B点的速度vb=2T,动能Ek222mvB皿、.1hehA上一八日1hehA=-2,联立斛得Ek=m-2T,故动能变化重AEk=Ek0=m-2T.(4)由于存在空气阻力和摩擦阻力的影响,导致重力势能的减少量大于动能的增加量,产生系统误差,屡次实验取平均值无法消除系统误差,应选项C对.2(5)在重物下落h的过程中,假设阻力f恒定,由动能

17、定理得,mghfh=-2-,解得v2=2g布卜,故v2-h图象是一条过原点的直线,但还要看图线的斜率是否在误差允许的范围内接近2g,才能用该法验证机械能守恒定律.21hehA答案：(1)A(2)AB(3)-mghB倒一2(4)C1c(5)该同学的判断依据不正确.在重物下落h的过程中,假设阻力f恒定,根据动能定理得,mgh-fh=2mv20得,v2=2g；h可知.v2h图象就是过原点的一条直线.要想通过v2h图象的方法验证机械能是否守恒,还必须看图象的斜率是否接近2g练习2、解析：(1)根据在匀变速直线运动中,中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度,可得v5m/s=3.48m/s.16.14+

18、18.66*1022X0.051c1(2)重力势能的增重AEp=mgAh,代入数据可得AEp=2.49J,功能减少重为AEk=2mv2?mv2,代入数据可得AEk=2.56J.(3)由计算可得AEp<AEk,主要是由于存在空气阻力.答案：(1)3.48(2)2.492.56(3)<存在空气阻力课后练习1C1.解析：(1)由头验原理知,应让重物在松开手后做自由洛体运动；根据机械能寸恒,mgAh=-m(v2-c.一一1,v2),整理后,得gAh=,(v2v2),所以不需要测重质重.(2)B点速度等于AC段的平均速度,vb=ac=0.19m/s；根据实验原理知,还应计算g(vDvB)与ghBD,看两者大小是否相等.(3)重物距离桌面太近,会落到桌面上；B、D时间间隔太短,实验误差较大.1答案：(1)自由落体不需要(2)0.192