第节-实验探究动能定理实验-验证机械能守恒定律

实验目的1．通过实验，探究功与物体速度变化的关系．2．了解探究功与物体速度变化关系的思路．3．学习利用图象处理数据．实验原理如图所示，小车在橡皮筋的作用下弹出，沿木板滑行，当我们用2条、3条……同样的橡皮筋进行第2次、第3次……实验时，每次实验中橡皮筋拉伸的长度都保持一致，那么第2次、第3次……实验中橡皮筋对小车做的功就是第1次的2倍、3倍……如果把第1次实验时橡皮筋的功记为W，以后各次的功就是2W、3W……由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由打点计时器打出的纸带测出，这样进行若干次测量，就得到若干组功和速度的数据．实验器材橡皮筋、打点计时器、小车、纸带、复写纸、电源、导线、刻度尺、木板、钉子．实验步骤1．按图组装好实验仪器，由于小车在运动中会受到阻力，把木板略微倾斜，作为补偿．2．先用一条橡皮筋进行实验，把橡皮筋拉伸一定长度，理清纸带，接通电源，放开小车．3．换用纸带，改用2条、3条……同样的橡皮筋进行第2次、第3次……实验，每次实验中橡皮筋拉伸的长度都相同．4．由纸带算出小车获得的速度，把各次实验获得的速度依次记入设计的表格里．5．对观测数据进行估计，大致判断两个量可能的关系，然后以W为纵坐标，以v2(或v、v3、)为横坐标作图．橡皮筋条数123456力对小车做的功W2W3W4W5W6W小车获得的速度1．通过实验，探究功与物体速度变化的关系．2．由于本实验中有纸带与限位孔间的摩擦力(主要因素)和空气阻力(次要因素)的影响，这是系统误差，它使增加的动能少于减小的重力势能，要减小影响，采用增加重锤质量的办法，因为当重锤的重力远大于阻力时，可忽略阻力的影响．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.2．由于本实验中有纸带与限位孔间的摩擦力(主要因素)和空气阻力(次要因素)的影响，这是系统误差，它使增加的动能少于减小的重力势能，要减小影响，采用增加重锤质量的办法，因为当重锤的重力远大于阻力时，可忽略阻力的影响．命题规律将实验原理和实验方法进行改进，验证mgh＝mv2并把该式转变为其他易测量的物理量来表示，考查灵活运用所学知识的能力．(1)该同学在一条比较理想的纸带上，从点迹清楚的某点开始记为0点，顺次选取5个点，分别测量这5个点到0点之间的距离，并计算出它们与0点之间的速度平方差Δv2(Δv2＝v2－v02)，填入下表：(2)若实验中所得到的重物下落的加速度值小于当地的重力加速度值，而实验操作与数据处理均无错误，写出一个你认为可能引起此误差的原因：________.84大于实验中有阻力，克服阻力做功要损失机械能在实验误差范围内，机械能是守恒的．②根据所取数据字母写出机械能守恒的表达式____．则当打点计时器打B点时，重物的重力势能减小量为________J，重物的动能为________J．(均保留3位有效数字)．通过计算表明数值上ΔEp________ΔEk(填“大于”“小于”或“等于”)这是因为________________，实验的结论是：________________.实验中的小车不可避免地要受到摩擦力的作用，摩擦力对小车做负功，我们研究的是橡皮筋做的功与物体速度的关系，应设法排除摩擦力的影响，可采用将木板一端垫高的方法来实验．将木板一端垫高，使重力沿斜面方向的分力与摩擦力相平衡，就能消除摩擦力的影响．判断已平衡掉摩擦力的方法是，轻推一下小车，观察小车不受其他力时能在木板上做匀速运动．(1)为了测得重物下落的加速度，还需要的实验器材有________．(填入正确选项前的字母)实验中的小车不可避免地要受到摩擦力的作用，摩擦力对小车做负功，我们研究的是橡皮筋做的功与物体速度的关系，应设法排除摩擦力的影响，可采用将木板一端垫高的方法来实验．将木板一端垫高，使重力沿斜面方向的分力与摩擦力相平衡，就能消除摩擦力的影响．判断已平衡掉摩擦力的方法是，轻推一下小车，观察小车不受其他力时能在木板上做匀速运动．(1)该实验中是否需要测出物体的质量________．________________________________________________________________________请以Δv2为纵坐标，以s为横坐标在方格纸中作出Δv2－s图象．若测出小车质量为0.[答案](1)C(2)打点计时器与纸带间存在摩擦(或重物受空气阻力作用)(其他答案合理即可)80m/s2A、B、C到第一个点O根据以上数据你能否大致判断W∝v2?注意事项1．平衡摩擦力实验中的小车不可避免地要受到摩擦力的作用，摩擦力对小车做负功，我们研究的是橡皮筋做的功与物体速度的关系，应设法排除摩擦力的影响，可采用将木板一端垫高的方法来实验．将木板一端垫高，使重力沿斜面方向的分力与摩擦力相平衡，就能消除摩擦力的影响．判断已平衡掉摩擦力的方法是，轻推一下小车，观察小车不受其他力时能在木板上做匀速运动．2．打点计时器打出的纸带上相邻各点的间距并不均匀，应选间距均匀的那一段纸带来计算小车的速度，因为这一段是橡皮筋对小车做功完毕时的情形．3．本实验并不需要测量橡皮筋做的功到底是多少焦耳，只是测出以后各次实验橡皮筋做的功是第一次实验时的多少倍，这样做可以大大简化操作．误差分析1．误差的主要来源是橡皮筋的长度、粗细不一，使橡皮筋的拉力与橡皮筋的条数不成正比．2．平衡摩擦力不彻底或平衡过度也会造成误差．3.利用打上点的纸带计算小车的速度时，测量不准带来误差.实验目的验证机械能守恒定律．实验原理在只有重力作用的自由落体运动中，物体的重力势能和动能可以互相转化，但总机械能守恒．实验器材铁架台(带铁夹)，打点计时器，重锤(带纸带夹子)，纸带数条，复写纸片，导线，毫米刻度尺．除了上述器材外，还必须有学生电源(交流4～6V)．实验步骤1．按方法2把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与学生电源连接好．2．把纸带的一端在重锤上用夹子固定好，另一端穿过打点计时器限位孔，用手竖直提起纸带使重锤停靠在打点计时器附近．3．接通电源，松开纸带，让重锤自由下落．4．重复几次，得到3～5条打好点的纸带．5．在打好点的纸带中挑选第一、二两点间的距离接近2mm，且点迹清晰的一条纸带，在起始点标上0，以后各点依次标1、2、3……用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3…….注意事项1．打点计时器安装时，必须使两纸带限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力．2．实验时，需保持提纸带的手不动，待接通电源、让打点计时器工作正常后才松开纸带让重锤下落，以保证第一个点是一个清晰的小点．3．选用纸带时应尽量挑第一、二点间接近2mm的纸带．4．测量下落高度时，都必须从起始点算起，不能搞错，为了减小测量值h时的相对误差，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60cm～80cm以内．5．因不需要知道动能和势能的具体数值，所以不需要测量重物的质量．误差分析1．测量长度时会存在偶然误差，所以测长度时要多测几次，取平均值即可减小此误差．2．由于本实验中有纸带与限位孔间的摩擦力(主要因素)和空气阻力(次要因素)的影响，这是系统误差，它使增加的动能少于减小的重力势能，要减小影响，采用增加重锤质量的办法，因为当重锤的重力远大于阻力时，可忽略阻力的影响．3．为了减小相对误差，选取的计数点最好离第一个点远一些．4．若第一、第二两点间的距离小于2mm，则这两点间的时间间隔不到0.02s或阻力过大．[考例1](·试题调研)某兴趣小组想通过物体在斜面上运动的实验探究“做功和物体速度变化的关系”，实验开始前，他们提出了以下几种猜想：①W∝；②W∝v，③W∝v2.他们的实验装置如图甲所示，PQ为一块倾斜放置的木板，在Q处固定一个速度传感器(用来测量物体每次通过Q点时的速度)，每次实验，物体都从初始位置处由静止释放．(1)该实验中是否需要测出物体的质量________．(2)同学们设计了以下表格来记录实验数据．其中L1、L2、L3、L4…，代表物体分别从不同高度处无初速释放时初始位置到速度传感器的距离，v1、v2、v3、v4…，表示物体每次通过Q点的速度.实验次数1234…LL1L2L3L4…vv1v2v3v4…他们根据实验数据绘制了如图乙所示的L－v图象，并得出结论W∝v2.他们的做法是否合适，你有什么好的建议？________________________________________________________________________(3)在此实验中，木板与物体间摩擦力的大小________(填“会”或“不会”)影响探究出的结果．[解析]

(1)功W与距离L成正比，得到L和v的关系即可得到W和v的关系，因此不必测量物体的质量．(2)绘制的L－v图象是曲线，不能得出结论W∝v2.为了更直观地看出L和v的变化关系，应该绘制L－v2图象．(3)重力和摩擦力的总功W也与距离L成正比，因此不会影响探究的结果．[答案]

(1)不需要(2)不合适，应进一步绘制L－v2图象(3)不会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.[答案]

W∝v2W0.001.002.003.004.005.006.00v(m/s)0.000.801.101.281.531.761.89v2(m2/s2)0.000.641.211.642.343.103.57[解析]

以W为纵坐标，v为横坐标，作出W－v曲线．以W为纵坐标，v2为横坐标，作出W－v2曲线．由图象可看出：W∝v2.[考例2]某同学在探究功与物体速度变化的关系实验中，设计了如图甲所示的实验，将纸带固定在重物上，让纸带穿过电火花计时器或打点计时器．先用手提着纸带，使重物静止在靠近计时器的地方，然后接通电源，松开纸带，让重物自由下落，计时器就在纸带上打下一系列小点．得到纸带如图乙所示，O点为计时器打下的第1个点，该同学对数据进行了下列处理：取OA＝AB＝BC，并根据纸带算出了A、B、C三点的速度分别为vA＝0.12m/s，vB＝0.17m/s，vc＝0.21m/s.根据以上数据你能否大致判断W∝v2?[解析]

设由O到A的过程中，重力对重物所做的功为W，那么由O到B过程中，重力对重物所做的功为2W，由O到C的过程中，重力对重物所做的功为3W.[答案]

能(·广东联考)某同学用如图所示的实验装置探究动能定理．图中A为小车，连接在小车后面的纸带穿过打点计时器B的限位孔，它们均置于水平放置的一端带有定滑轮的足够长的木板上，C为弹簧测力计，不计绳与滑轮的摩擦力．实验时，先接通电源再松开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点．(1)该同学在一条比较理想的纸带上，从点迹清楚的某点开始记为0点，顺次选取5个点，分别测量这5个点到0点之间的距离，并计算出它们与0点之间的速度平方差Δv2(Δv2＝v2－v02)，填入下表：点迹s/cmΔv2/m2·s－20//11.600.0423.600.0936.000.1547.000.1859.200.23请以Δv2为纵坐标，以s为横坐标在方格纸中作出Δv2－s图象．若测出小车质量为0.2kg，结合图象可求得小车所受合外力的大小为________N.(2)若该同学通过计算发现小车所受合外力小于测力计读数，明显超出实验误差的正常范围．你认为主要原因是____________，实验操作中改进的措施是__________．[答案](1)0.25如图(2)小车滑行时所受摩擦阻力较大(3)使木板倾斜一定的角度以平衡摩擦力[解析](1)时间由打点计时器测定，不需要天平测质量，只需用米尺测定位移即可，故选C.84大于实验中有阻力，克服阻力做功要损失机械能在实验误差范围内，机械能是守恒的．则当打点计时器打B点时，重物的重力势能减小量为________J，重物的动能为________J．(均保留3位有效数字)．通过计算表明数值上ΔEp________ΔEk(填“大于”“小于”或“等于”)这是因为________________，实验的结论是：________________.4．重复几次，得到3～5条打好点的纸带．实验中的小车不可避免地要受到摩擦力的作用，摩擦力对小车做负功，我们研究的是橡皮筋做的功与物体速度的关系，应设法排除摩擦力的影响，可采用将木板一端垫高的方法来实验．将木板一端垫高，使重力沿斜面方向的分力与摩擦力相平衡，就能消除摩擦力的影响．判断已平衡掉摩擦力的方法是，轻推一下小车，观察小车不受其他力时能在木板上做匀速运动．他们的实验装置如图甲所示，PQ为一块倾斜放置的木板，在Q处固定一个速度传感器(用来测量物体每次通过Q点时的速度)，每次实验，物体都从初始位置处由静止释放．[答案]①A点至桌面的高度h1，出口至地面O点的高度h2，球的落地点P至O点的水平距离s②s2＝4h1h2为了更直观地看出L和v的变化关系，应该绘制L－v2图象．(3)重力和摩擦力的总功W也与距离L成正比，因此不会影响探究的结果．由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由打点计时器打出的纸带测出，这样进行若干次测量，就得到若干组功和速度的数据．1．按方法2把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与学生电源连接好．[答案](1)C(2)打点计时器与纸带间存在摩擦(或重物受空气阻力作用)(其他答案合理即可)命题规律

根据实验原理、实验步骤，总结实验结论，或验证实验结论的正确性，或分析实验误差．[考例3](·全国卷Ⅱ)利用图中所示的装置可以研究自由落体运动．实验中需要调整好仪器，接通打点计时器的电源．松开纸带，使重物下落，打点计时器会在纸带上打出一系列的小点．(1)为了测得重物下落的加速度，还需要的实验器材有________．(填入正确选项前的字母)A．天平B．秒表C．米尺(2)若实验中所得到的重物下落的加速度值小于当地的重力加速度值，而实验操作与数据处理均无错误，写出一个你认为可能引起此误差的原因：________.[解析]

(1)时间由打点计时器测定，不需要天平测质量，只需用米尺测定位移即可，故选C.(2)打点计时器与纸带间存在摩擦或重物受空气阻力作用.[答案]

(1)C(2)打点计时器与纸带间存在摩擦(或重物受空气阻力作用)(其他答案合理即可)[总结评述]

本题考查了研究自由落体运动的规律，解答本题的突破点在于明确实验的原理．在“验证机械能守恒定律”的实验中，打点计时器所用电源的频率为50Hz，当地重力加速度的值为9.80m/s2A、B、C到第一个点O则当打点计时器打B点