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1、实验六 验证机械能守恒定律,【实验过程】 一、实验步骤 1.安装置 按图示将调整好的打点计时 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35 次实验。,3.选纸带 分两种情况说明 (1)如果根据 验证时，应选点迹清晰，打点成一条 直线，且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带。 （2）如果根据 验证时，由于重力势能的 相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点即可，这样纸带 上打出的第1、2两点间的距离是否为 2 mm 就
2、无关紧要了，只 要后面的点迹清晰就可选用。,二、数据处理 方法一：利用起始点和第n点计算。代入mghn和 如果在实验误差允许的条件下mghn和 相等，则验证了机 械能守恒定律。 方法二：任取两点计算： （1）任取两点A、B测出hAB，算出mghAB。 （2）算出 的值。 （3）在实验误差允许的条件下，若 成立，则验证了机械能守恒定律。,方法三：采用图像法。从纸带上选取多个点，测量从第一点到 其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以 为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出 图线。 若在误差允许的范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线， 则验证了机械能守恒定律。,【误差分析】,【注意事
3、项】 1.安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直线上以减小摩擦阻力。 2.重物应选用质量和密度较大、体积较小的物体以减小空气阻力的影响。 3.应先接通电源，让打点计时器正常工作后，再松开纸带让重物下落。 4.纸带长度选用60 cm左右为宜，应选用点迹清晰的纸带进行测量。,5.速度不能用vn=gtn或 计算，因为只要认为加速度 为g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械 能守恒定律。况且用vn=gtn计算出的速度比实际值大，会得出 机械能增加的结论，而因为摩擦阻力的影响，机械能应该减 小，所以速度应从纸带上直接测量计算。同样的道理，重物下 落的高度h，也只能用毫米刻度尺直
4、接测量，而不能用 或 计算得到。,【实验改进】 1.物体的速度可以用光电计时器测量，以减小由于测量和计算带来的误差。 2.整个实验装置可以放在真空的环境中操作，如用牛顿管和频闪照相进行验证，以消除由于空气阻力作用而带来的误差。 3.可以利用气垫导轨来设计该实验，以减小由于摩擦带来的误差。,4.为防止重物被释放时的初速度不为零，可将装置改成如图所示形式，剪断纸带最上端，让重物从静止开始下落。,热点 1 实验数据的处理 【典例1】（2013泉州模拟） 在“验证机械能守恒定律”实 验中，实验装置如图所示。,（1）根据打出的纸带，选取纸带上打出的连续五个点A、B、 C、D、E，测出A点距起点O的距离为
5、x0，点A、C间的距离为 x1，点C、E间的距离为x2，交流电的周期为T，当地重力加速 度为g，则根据这些条件计算打C点时的速度表达式为 vC=_(用x1、x2和T表示)。,（2）根据实验原理，只要验证表达式_（用g、x0、x1、 x2和T表示）成立，就验证了机械能守恒定律。 （3）实验中发现，重物减少的重力势能总是大于重物增加的 动能，其原因主要是在重物下落过程中存在着阻力的作用，我 们可以通过该实验装置测定该阻力的大小，则还需要测量的物 理量是_（写出名称）。,【标准解答】（1）交流电的周期为T，打点间隔等于T,A、C两 点间的时间间隔为T0=2T,同理C、E两点间的时间间隔也为 T0=2
6、T,由公式 （2）从起点O到点C过程中，重力做的功WG=mg(x0+x1)，重力势 能Ep就减少了mg(x0+x1)，动能增加了 即 只要验证了减少的重力势能等于增加的动 能就验证了机械能守恒，即,（3）由动能定理得： 要测定阻力f还需测定重物质量。 答案：（1） （2） （3）重物质量,热点 2 实验原理的拓展创新 【典例2】（2011海南高考）现要通过实验验证机械能守恒定律。实验装置如图所示：水平 桌面上固定一倾斜的气垫导轨； 导轨上A点处有一带长方形遮光 片的滑块，其总质量为M，左端 由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与 一质量为m的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；,导轨上B点有一光电门，可
7、以测量遮光片经过光电门时的挡光 时间t，用d表示A点到导轨底端C点的距离，h表示A与C的高度 差，b表示遮光片的宽度，s表示A、B两点的距离，将遮光片通 过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度。用g表示 重力加速度。完成下列填空和作图。 （1）若将滑块自A点由静止释放，则在滑块从A运动至B的过程 中，滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示 为_。动能的增加量可表示为_。若在运动过程中 机械能守恒， 与s的关系式为 =_。,（2）多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点（A点）下滑，测量相应的s与t值，结果如表所示：,以s为横坐标， 为纵坐标，在坐标纸中描出第1和第5个 数
8、据点；根据5个数据点作直线，求得该直线的斜率 k=_104 m-1s-2(保留3位有效数字)。由测得的h、d、 b、M和m数值可以计算出 直 线的斜率k0，将k和k0进行比 较，若其差值在实验允许的范 围内，则可认为此实验验证了 机械能守恒定律。,【标准解答】（1）滑块和遮光片的重力势能减少，砝码的重 力势能增加，所以系统的重力势能减少的量为 滑块运动到光电门时的速度为 所以系统的动能增加量为,若机械能守恒，则有 解得 （2）如图所示。,由图像可求得斜率 答案：（1） （2）见标准解答图 2.43,【双基题组】 1.（2013广州模拟）在验证机械能守恒定律的实验中，没有必要进行的操作是( )
9、A.用天平测重物的质量 B.根据纸带计算重物下落的时间 C.用打点计时器记录重物下落的信息 D.用纸带记录、测量重物下落的高度,【解析】选A。从验证机械能守恒定律的两种处理方法来看， 没有必要测出重物的质量，只需验证 或者 即可，故A不必要。重物下落的时间可由 纸带上的打点间隔计算，所以B是必要的。C和D两个选项的操 作是必要的。故本题选A。,2.（2013济南模拟）用如图实验装置 验证m1、m2组成的系统机械能守恒，m2 从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸 带打出一系列的点，对纸带上的点迹进 行测量，即可验证机械能守恒定律。图 中给出的是实验中获取的一条纸带;0是打下的第一个点，每相邻两计
10、数点间还有4个点（图中未标出）,计数点间的距离如图所示。已知m1=50 g、m2=150 g，则（g取9.8 m/s2,所有结果均保留三位有效数字）,（1）在纸带上打下计数点5时的速度v5=_m/s； （2）在打点05过程中系统动能的增量Ek=_J,系统 势能的减少量Ep=_J,由此得出的结论是_; （3）若某同学作出 图像如图，则当地的实际重 力加速度g=_m/s2。,【解析】(1) （2）在打点05过程中系统动能的增量 系统势能的减少量Ep=m2gh05-m1gh05=0.588 J 由此得出：在误差允许的范围内，m1、m2组成的系统机械能守 恒。 （3）由 可知， 图像的斜率为当地重力加
11、速 度g，由题图可知， 答案：(1)2.40 (2)0.576 0.588 在误差允许的范围内， m1、m2组成的系统机械能守恒 (3)9.70,【高考题组】 3.（2010四川高考）有4条用打点计时器（所用交流电频率为50 Hz）打出的纸带A、B、C、D，其中一条是做“验证机械能守恒定律”实验时打出的。为找出该纸带，某同学在每条纸带上取了点迹清晰的、连续的4个点，用刻度尺测出相邻两个点间距离依次为s1、s2、s3。请你根据下列s1、s2、s3的测量结果确定该纸带为_。（已知当地的重力加速度为9.791 m/s2） A.61.0 mm 65.8 mm 70.7 mm B.41.2 mm 45.
12、1 mm 53.0 mm C.49.6 mm 53.5 mm 57.3 mm D.60.5 mm 61.0 mm 60.6 mm,【解析】选C。验证机械能守恒采用重物的自由落体运动实现，所以相邻的0.02 s内的位移增加量为s=gT2=9.7910.022 m3.9 mm。,4.（2010新课标全国卷）如图为验证 机械能守恒定律的实验装置示意图。现 有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打 点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。 回答下列问题： （1）为完成此实验，除了所给的器材， 还需要的器材有_。（填入正确选项前的字母） A.米尺 B.秒表 C.012 V的直流电源 D.012 V的交流电源,（2
13、）实验中误差产生的原因有_ _。（写出两个原因）,【解析】（1）用A项米尺测量长度，用D项交流电源供打点计时器使用。（2）纸带与打点计时器之间有摩擦；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时选取的始末两点距离过近；交流电频率不稳定。 答案：（1）A、D （2）纸带与打点计时器之间有摩擦；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时，选取的始末两点距离过近；交流电频率不稳定（任选其二）,5.（2010安徽高考）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， 设计了以下四种测量方
14、案：,a.用刻度尺测出物体下落的高度h，并测出下落时间t，通过 v=gt计算出瞬时速度v。 b.用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过 计算出瞬 时速度v。 c.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 计算出高度h。,d.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。 以上方案中只有一种正确，正确的是_（填入相应的 字母）。 【解析】a、b、c三个方案中运用v=gt、 以及 计算，均使用了机械能守恒的结论，故a、b、c错误，d正确。 答案：d,6.(2
15、008江苏高考)某同学利用如图 甲所示的实验装置验证机械能守恒定 律。弧形轨道末端水平，离地面的高 度为H。将钢球从轨道的不同高度h处 静止释放，钢球的落点距轨道末端的 水平距离为s。,（1）若轨道完全光滑，s2与h的理论关系应满足s2=_ （用H、h表示）。 （2）该同学经实验测量得到一组数据，如表所示：,请在坐标纸上作出s2-h关系图。,（3）对比实验结果与理论计算得到的s2 -h关系图线（图乙 中已画出），自同一高度静止释放的钢球，水平抛出的速 率_（选填“小于”或“大于”）理论值。 （4）从s2 -h关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率与理 论值偏差十分显著，你认为造成上述偏差的可能原因是_。,【解析】（1）由机械能守恒有： 由平抛运动规律s=vt、 得：s2=4Hh。 （2）根据表中数据描出s2 -h关系如图所示。,（3）由图看出在相同h下，水平位移s值比理论值要小，由 说明水平抛出的速率比理论值小。 （4）水平抛出的速率偏小，说明有机械能损失，可能因为摩 擦或在下落过程中钢球发生转动。 答案：（1）4Hh （2）见解析图 （3）小于 （4）摩擦或转动（回答一个即可）,
