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1、第9节实验,：验证机械能守恒定律知识概要一、实验目的1会用打点计时器打下的纸带计算物体的运动速度和位移2探究自由落体运动物体的机械能守恒二、实验原理让物体自由下落，在忽略阻力情况下，探究物体的机械能守恒，有两种方案探究物体的机械能守恒：1以物体下落的起始点O为基准，测出物体下落高度h时的速度大小v，若mv2mgh成立，则可验证物体的机械能守恒2测出物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2，若关系式mvmvmgh成立，则物体的机械能守恒.一、实验目的验证机械能守恒定律二、实验原理在自由落体运动中，若物体下落高度h时的速度为v，则有mghmv2故只需借助打点计时器，通过纸带测出重物某时刻的下
2、落高度h和该时刻的瞬时速度v，即可验证机械能守恒定律三、实验器材铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带纸带夹)、纸带(数条)、复写纸、导线、毫米刻度尺、学生电源四、实验步骤1按图所示把打点计时器固定在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好2把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，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近3先接通电源，后松开手，让重物带着纸带自由下落4重复几次，得到35条打好点的纸带5选取点迹较为清晰，且第1、2两计时点间距接近 2_mm的一条纸带，纸带上第1个点记为O，然后在距离点O较远的地方选取相等时间间隔的点，依次标上1、2、3用刻度尺测出对应的下
3、落高度h1、h2、h36计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v37计算出各点对应的势能减少量mghn，并和动能增加量mv进行比较.要点1|注意事项和误差分析1注意事项(1)实验中安装打点计时器时，限位孔必须在同一竖直线上，以减少摩擦阻力打点计时器离地面高度约1 m，实验用的纸带60 cm左右即可(2)实验时，必须先接通电源，让打点计时器工作正常以后才能松开纸带，让重物下落(3)纸带上端要用手提着使其静止，这样可保证下落的初速度为零，并且纸带上打出的第一个点是清晰的一个小点(4)测量下落高度时，都必须从起点算起，为了减小测量h值的误差，选取的各个计数点要离起始点远些(5)实验中重物和纸带下落过程
4、中要克服阻力(主要是打点计时器限位孔的阻力)做功，所以动能的增加量Ek一定小于重力势能的减少量Ep.(6)铁架台上固定打点计时器的夹子不可伸出太长，以防铁架台翻倒2误差分析(1)偶然误差：测量相关长度时带来的误差，减小的方法是多测几次取平均值(2)系统误差：实验过程中要克服阻力(包括空气阻力和打点计时器阻力)做功，故动能的增加量Ek必定稍小于重力势能的减少量Ep.(3)电源频率不稳定也会带来误差(1)如图所示为用打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置关于这一实验，下列说法中正确的是_A需使用天平测出重物的质量B应先释放纸带，后接通电源打点C需使用秒表测出重物下落的时间D测出纸带上两点迹间的距离
5、，可知重物相应的下落高度(2)实验时，应使打点计时器的两个限位孔在同一竖直线上这样做可以_(选填“消除”“减小”或“增大”)纸带与限位孔之间的摩擦(3)在实际测量中，重物减少的重力势能通常会_(选填“略大于”“等于”或“略小于”)增加的动能【思路点拨】正确解答本题需要掌握：理解该实验的实验原理；实际实验中，重锤要受到空气阻力，纸带和打点计时器限位孔之间有摩擦力，故重物下落时要克服这些阻力做功，重力势能不能全部转化为动能【解析】(1)根据mghmv2，可知不需要测量重物的质量m，故A错误；开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放重锤，让它带着纸带一同落下，如果先放开纸带让重物下落，再接通
6、打点计时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差，故B错误；我们可以通过打点计时器计算时间，不需要秒表，故C错误；测出纸带上两点迹间的距离，可知重物相应的下落高度，故D正确故选D(2)打点计时器的两个限位孔如果不在在同一竖直线上纸带运动中就会与限位孔之间有摩擦，重物下落时要克服这个阻力做功，重力势能不能全部转化为动能，实验存在误差纸带与限位孔之间的摩擦是无法避免的，这样做只能减小纸带与限位孔之间的摩擦(3)实际实验中，重锤要受到空气阻力，纸带和打点计时器限位孔之间有摩擦力，故重物下落时要克服这些阻力做功，重力势能不能全部转化为动能，有一小部分转化为内能，故重物
7、减少的重力势能通常会略大于增加的动能【答案】(1)D(2)减小(3)略大于用如图1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6 V的交流电和直流电两种重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点痕进行测量，验证机械能守恒定律. (1)(多选)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”上；C用天平测出重锤的质量；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测量纸带上某些点间的距离；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其中没有必要进行或者操作不当的步骤
8、是_(将其选项对应的字母填在横线处)(2)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g9.80 m/s2.测得所用重锤的质量为1.00 kg.实验中得到一条点迹清晰的纸带，把第一个点记作O，每两个计数点之间有四点未画出，另选连续的3个计数点A、B、C作为测量的点，如图2所示经测量知道A、B、C各点到O点的距离分别为50.50 cm、86.00 cm、130.50 cm.根据以上数据，计算出打B点时重锤的瞬时速度vB_m/s；重锤由O点运动到B点，重力势能减少了_J，动能增加了_J(保留3位有效数字)并可得出的结论是_解析：(1)验证动能的增加量和重力势能的减小量是否相等，m
9、ghmv2，质量可以约去，不必要用天平测量重锤的质量，C操作步骤不必要；打点计时器应接在电源的“交流输出”上，B操作步骤不当；在实验的操作中，应先接通电源再释放纸带，D操作步骤不当(2)根据匀变速直线运动规律可知，B点的瞬时速度vB4.00 m/s，重锤由O点运动到B点，重力势能减少了Epmgh8.43 J，动能的增加量Ekmv8.00 J在误差允许的范围内，重锤自由下落机械能守恒答案：(1)BCD(2)4.008.438.00在误差允许的范围内，重锤自由下落机械能守恒名师方法总结实验中，需保持提纸带的手不动，待接通电源，打点计时器工作稳定后再释放纸带让重锤下落；选取纸带时，本着点迹清晰且第1
10、、2两点间距离接近2 mm的原则；不需要测量重锤的质量，只需证明vghn就可以了要点2|实验数据的处理方法1公式法：本实验不需要测出物体的质量m，只需要验证mghmv2，即ghv2即可2图象法：以为纵轴，h为横轴，画出h的图象，得到一条过原点的直线，斜率表示加速度g，这是另一种处理数据的方法3变形公式法：纸带上任取两点A、B点，测出hAB，计算出的值，在误差允许的范围内，ghAB，则机械能是守恒的4速度的计算根据匀变速直线运动的规律，利用纸带上的数据计算瞬时速度v.典例2用图示装置验证机械能守恒定律实验前调整光电门位置使小球下落过程中球心通过光电门中的激光束实验中通过断开电磁铁开关使小球从A点
11、下落，经过光电门B，记录挡光时间t，测出小球在AB间下落的距离h.竖直平移光电门B，重复上述步骤，测得多组h及相应的t，已知当地重力加速度为g.(1)实验中还需测量的物理量是_(2)小球通过光电门速度的表达式为v_(3)根据测量数据描绘h图象，能否仅依据图象是过原点的直线就得出机械能守恒的结论？_，理由是_【思路点拨】(1)该题利用自由落体运动来验证机械能守恒，因此需要测量物体自由下落的高度hAB，以及物体通过B点的速度大小，在测量速度时我们利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度，因此明白了实验原理即可知道需要测量的数据；(2)利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度；(3)根据机械能守
12、恒的表达式可以求出所要求的关系式，然后分析答题【解析】(1)实验需要求出小球经过光电门时的速度，需要测出小球的直径d.(2)利用小球通过光电门的平均速度来代替瞬时速度，故v.(3)根据机械能守恒的表达式有mghmv2，即h，不能依据图象是过原点的直线就得出机械能守恒的结论，当斜率近似等于，才能判断小球下落过程中机械能守恒【答案】(1)小球直径d(2)(3)不能斜率近似等于，才能判断小球下落过程中机械能守恒利用如图所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h.某班同学利用实验得到的纸带，设计了四种测量方案，正确的是 ()A用刻度尺测出物体
13、下落的高度h，并测出下落时间t，通过vgt计算出瞬时速度vB用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过v计算出瞬时速度vC根据做匀变速直线运动时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，测算出瞬时速度v，并通过h计算出高度hD用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时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，测算出瞬时速度v解析：自由落体运动只受重力，机械能守恒如果把重物的实际运动看成自由落体运动，再运用自由落体的规律求解速度，那么就不需要验证，A、B、C选项错误，D选项正确答案：D名师方法总结 (1)利用gh来验证机械能守恒定律时，须保证打第一个点时的速度为零
14、(2)无论是利用gh与还是ghAB与来验证机械能守恒定律，速度v均应利用该点前后相邻两点间的平均速度来求解，而不能用v或vgt来求解要点3|创新设计性实验验证机械能守恒定律的实验一般是利用自由落体运动来实现的，但可以通过变通实验装置，变通实验操作方法，达到验证实验的目的，解决此类问题的关键是了解实验目的、实验装置以及操作过程，明确实验原理，从而进一步分析需要测量的物理量，找出各量之间的关系，确定验证的表达式典例3有一种“傻瓜”照相机，其光圈(进光孔径)随被拍摄物体的亮度自动调节，而快门(曝光时间)是固定不变的一位同学利用“傻瓜”照相机来做“验证机械能守恒定律”的实验(1)首先这个同学事先测定了相机的曝光时间为t.(2)这位同学提出了下述实验方案：他从墙面前某点O，使一个小石子自由落下，对小石子照相得到如图甲的照片，由于小石子的运动，它在照片上留下一条模糊的径迹AB通过测量OA的距离为h，AB的距离为x，当地的重力加速度为g，由于相机曝光时间很短，可以认为A点的速度近似等于AB段的平均速度则石子划过A点时的速度大小v_(用题中给出的物理量字母表示)(3)多次改变高度h，重复上述实验，作出x2随h变化的图象如图乙所示，当图中已知量X、H和重力加速度g及曝光时间为t满足表达式_时，可判断小球下落过程中机
