高中物理 第七章 機械能守恒定律 第9節(jié) 實驗：驗證機械能守恒定律 新人教版必修2

第第七七章章實驗理論指導實驗理論指導典題案例典題案例導析導析題型一題型一題型二題型二第第9 9節(jié)節(jié)題型三題型三知能演練提升知能演練提升 一、實驗目的一、實驗目的 通過自由落體運動驗證機械能守恒定律。通過自由落體運動驗證機械能守恒定律。 二、實驗原理二、實驗原理 在自由落體運動中，物體的重力勢能和動能可以相互轉在自由落體運動中，物體的重力勢能和動能可以相互轉化，但總機械能守恒?；?，但總機械能守恒。 方法方法1：若以重物下落的起始點：若以重物下落的起始點O為基準，設重物的質量為基準，設重物的質量為為m，某一時刻物體下落的瞬時速度為，某一時刻物體下落的瞬時速度為v，下落高度為，下落高度為h，則，則應有應有 ，借助打點計時器，測出重物某時刻的下，借助打點計時器，測出重物某時刻的下落高度落高度h和該時刻的瞬時速度和該時刻的瞬時速度v，即可驗證機械能是否守恒。，即可驗證機械能是否守恒。 三、實驗器材三、實驗器材 鐵架臺鐵架臺(帶鐵夾帶鐵夾)，打點計時器，重物，打點計時器，重物(帶紙帶夾子帶紙帶夾子)，紙帶數條，復寫紙，導線，毫米刻度尺，學生電源紙帶數條，復寫紙，導線，毫米刻度尺，學生電源(交交流流46 V)。 四、實驗步驟四、實驗步驟 1儀器安裝儀器安裝 按圖按圖791將檢查、調整好的打點計將檢查、調整好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上，接好電路。時器豎直固定在鐵架臺上，接好電路。 2打紙帶和選紙帶打紙帶和選紙帶 打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點計時器的限位孔用手物上，另一端穿過打點計時器的限位孔用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地方。先接通電源，后松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落。方。先接通電源，后松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落。更換紙帶重復做更換紙帶重復做35次實驗。次實驗。 選紙帶：分兩種情況說明。選紙帶：分兩種情況說明。圖圖7 79 91 1 六、注意事項六、注意事項 (1)盡可能地控制實驗條件，即應滿足機械能守恒的條件，盡可能地控制實驗條件，即應滿足機械能守恒的條件，這就要求盡量減小各種阻力，采取的措施有：這就要求盡量減小各種阻力，采取的措施有： 安裝打點計時器時，必須使兩個限位孔的中線豎直，以減安裝打點計時器時，必須使兩個限位孔的中線豎直，以減小摩擦阻力。小摩擦阻力。 應選用質量和密度較大的重物，以減小空氣阻力的影響。應選用質量和密度較大的重物，以減小空氣阻力的影響。 (2)應先接通電源讓打點計時器開始打點，再放開紙帶讓重應先接通電源讓打點計時器開始打點，再放開紙帶讓重物下落。物下落。 七、誤差分析七、誤差分析 (1)測量長度會帶來偶然誤差。減小偶然誤差的辦法：測量長度會帶來偶然誤差。減小偶然誤差的辦法： 測距離都應從測距離都應從O點測起；點測起； 多次測量取平均值；多次測量取平均值； 選取的計數點應盡可能離選取的計數點應盡可能離O點遠些，以減小相對誤差。點遠些，以減小相對誤差。 (2)重物在拖著紙帶下落的過程中必然受到阻力作用，主要重物在拖著紙帶下落的過程中必然受到阻力作用，主要是打點計時器與紙帶間的摩擦力以及空氣的阻力?？朔@些阻是打點計時器與紙帶間的摩擦力以及空氣的阻力?？朔@些阻力做功要消耗能量，所以重物動能的增加量力做功要消耗能量，所以重物動能的增加量Ek必定小于重力必定小于重力勢能的減少量勢能的減少量Ep。這是實驗設計上帶來的系統(tǒng)誤差。這是實驗設計上帶來的系統(tǒng)誤差。 (3)打點計時器周期變化帶來誤差。打點計時器周期變化帶來誤差。例例1：在驗證機械能守恒定律的實驗中。在驗證機械能守恒定律的實驗中。(1)從下列器材中選出實驗所必須的，其編號為從下列器材中選出實驗所必須的，其編號為_。A打點計時器打點計時器(包括紙帶包括紙帶)； B重物；重物；C天平；天平； D毫米刻度尺；毫米刻度尺；E秒表；秒表； F小車。小車。 (2)打點計時器的安裝放置要求為打點計時器的安裝放置要求為_；開始；開始打點計時的時候，應先打點計時的時候，應先_，然后，然后_。 (3)實驗中產生系統(tǒng)誤差的原因主要是實驗中產生系統(tǒng)誤差的原因主要是_，使重物獲，使重物獲得的動能往往得的動能往往_。為減小誤差，懸。為減小誤差，懸掛在紙帶下的重物應選擇掛在紙帶下的重物應選擇_。 (2)兩限位孔必須在同一豎直線上給打點計時器通兩限位孔必須在同一豎直線上給打點計時器通電釋放紙帶電釋放紙帶 (3)紙帶通過打點計時器時有摩擦阻力小于所減小紙帶通過打點計時器時有摩擦阻力小于所減小的重力勢能密度大一些的的重力勢能密度大一些的 (4)一條通過坐標原點的傾斜直線重力加速度一條通過坐標原點的傾斜直線重力加速度 答案答案(1)ABD 例例2在在“驗證機械能守恒定律驗證機械能守恒定律”的實驗中，打點計時器的實驗中，打點計時器所用電源頻率為所用電源頻率為50 Hz，當地重力加速度的值為，當地重力加速度的值為9.80 m/s2，測，測得所用重物的質量為得所用重物的質量為1.0 kg。甲、乙、丙三個學生分別用同。甲、乙、丙三個學生分別用同一裝置打出三條紙帶，量出各紙帶上第一裝置打出三條紙帶，量出各紙帶上第1、2兩點間的距離分兩點間的距離分別為別為0.18 cm、0.18 cm和和0.25 cm，可看出其中肯定有一個學，可看出其中肯定有一個學生在操作上出現(xiàn)了問題，出現(xiàn)的問題是生在操作上出現(xiàn)了問題，出現(xiàn)的問題是_。 若按實驗要求正確地選出紙帶如圖若按實驗要求正確地選出紙帶如圖792所示所示(相鄰計數相鄰計數點的時間間隔為點的時間間隔為0.02 s)，那么：，那么： (1)紙帶的紙帶的_端與重物相連端與重物相連(填填“左左”或或“右右”)； (2)打點計時器打下計數點打點計時器打下計數點B時，重物的速度時，重物的速度vB_； (3)從起點從起點O到打下計數點到打下計數點B的過程中重物重力勢能的減少的過程中重物重力勢能的減少量量Ep_，此過程中重物動能的增加量，此過程中重物動能的增加量Ek_；圖圖7 79 92 2 (4)通過計算，數值上通過計算，數值上Ep_Ek(填填“”、“”或或“”)，這是因為，這是因為_。 (5)實驗的結論是實驗的結論是_。 (6)若實驗中所用電源的頻率若實驗中所用電源的頻率f50 Hz，實驗結果將會受到，實驗結果將會受到什么影響？什么影響？ 例例3(2011海南高考海南高考)現(xiàn)要通過實現(xiàn)要通過實驗驗證機械能守恒定律。實驗裝置如驗驗證機械能守恒定律。實驗裝置如圖圖793所示：水平桌面上固定一傾所示：水平桌面上固定一傾斜的氣墊導軌；導軌上斜的氣墊導軌；導軌上A點處有一帶長點處有一帶長方形遮光片的滑塊，其總質量為方形遮光片的滑塊，其總質量為M，左，左端由跨過輕質光滑定滑輪的細繩與一質量為端由跨過輕質光滑定滑輪的細繩與一質量為m的砝碼相連；的砝碼相連；遮光片兩條長邊與導軌垂直；導軌上遮光片兩條長邊與導軌垂直；導軌上B點有一光電門，可以點有一光電門，可以測量遮光片經過光電門時的擋光時間測量遮光片經過光電門時的擋光時間t，用，用d表示表示A點到導軌點到導軌底端底端C點的距離，點的距離，h表示表示A與與C的高度差，的高度差，b表示遮光片的寬表示遮光片的寬度，度，s表示表示A、B兩點的距離，將遮光片通過光電門的平均速兩點的距離，將遮光片通過光電門的平均速度看作滑塊通過度看作滑塊通過B點時的瞬時速度。用點時的瞬時速度。用g表示重力加速度。表示重力加速度。完成下列填空和作圖；完成下列填空和作圖；圖圖7 79 93 312345s(m)0.600 0.800 1.000 1.200 1.400t(ms)8.227.176.445.855.431/t2(104s2)1.481.952.412.923.39 以以s為橫坐標，為橫坐標， 為縱坐標，在圖為縱坐標，在圖794中的坐標紙中的坐標紙上描出第上描出第1和第和第5個數據點；根據個數據點；根據5個數據點作直線，求得該個數據點作直線，求得該直線的斜率直線的斜率k_104m1s2(保留保留3位有效數字位有效數字)。圖圖7 79 94 4(2)描點作直線描點作直線(略略)，由圖可得斜率由圖可得斜率k2.40104 m1s2，由數學知只可得由數學知只可得k012.47104 m1s2、k022.44104 m1s2、k032.41104 m1s2、k042.43104 m1s2、k052.42104 m1s2，