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1、实验实验 学案学案 25 验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律实验目的 利用自由落体运动验证在只有重力作用情况下的物体机械能守恒 实验原理 1在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能和动能互相转化，但总的 _保持不变若物体某时刻的瞬时速度为 v，下落高度为 h，则重力势能的减少 量为_，动能的增加量为_，看它们在实验误差允许的范围内是否相等， 若相等则验证了机械能守恒定律 2计算打第 n 个点时速度的方法：测出第 n 个点与相邻前后点间的距离 xn和 xn1，由公式 vn_或 vn算出，如图 1 所示hn1hn12T图 1 实验器材 铁架台(含铁夹)，打点计时器，_，纸带，复写纸，导线，
2、_，重 物(带纸带夹) 实验步骤图 2 1安装、准备：按如图 2 装置把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与 学生电源连接好把纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过计时器限位孔，用手 竖直提起纸带使重物停靠在_ 2打纸带：先_，后_，让重物带着纸带自由下落，这样计时器就 在纸带上打下了一系列点，更换纸带重复上述步骤做 35 次实验 3选纸带：分两种情况来说明(1)用 mv2mgh 来验证时，应选点迹清晰，且 1、2 两点间距离小于或接近 2 mm 的纸12 带若 1、2 两点间的距离大于 2 mm，这是由于先释放纸带，后接通电源造成的这样， 第 1 个点就不是运动的起始点了，这样的
3、纸带不能选(2)用 mv mv mgh 验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时，应选择适当122 B122 A 的点作为基准点，这样纸带上打出的第 1、2 两点间的距离是否为 2 mm 就无关紧要了， 所以只要后面的点迹清晰就可选用 数据处理 在起始点标上 0，在以后各点依次标上 1、2、3、用刻度尺测出对应下落高度 h1、h2、h3、利用公式 vn计算出点 1、点 2、点 3、的瞬时速度hn1hn12T v1、v2、v3、用以下三种方法进行验证：方法一：利用起始点和第 n 点计算代入 ghn和 v ，如果在实验误差允许的条件下12 2 nghn v ，则机械能守恒定律是正确的12 2 n
4、方法二：任取两点计算 (1)任取两点 A、B 测出 hAB，算出 ghAB.(2)算出 v v的值12 2 B122 A(3)若在实验误差允许的条件下 ghAB v v ，则机械能守恒定律是正确的12 2 B12 2 A 方法三：图象法从纸带上选取多个点，测量从第一个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 v2为纵轴，以 h 为横轴，根据实验数据画出 v2h1212 图线若在实验误差允许的条件下，图象是一条过原点且斜率为 g 的直线，则验证了机 械能守恒 注意事项 1安装打点计时器时要竖直架稳，使两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力 2重物应选用质量大、体积小、密度大
5、的材料 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纸带长度应选用 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 vngtn或 vn计算，因为只要认为加速度为 g，机械能当然守恒，2ghn即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用 vngtn计算出的速 度比实际值大，会得出机械能增加的结论，而实际上因为受摩擦阻力的影响，机械能应 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，也只能用刻度尺直接测量，而不能用 hn gt 或 hn计算得到.122 nv2 n2g题型一题型一 实验原理与步骤实验原理与步骤 【例 1】 用如图 3
6、 所示图 3 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 电和直流电两种重物从高处由静止开始下落，重物拖着纸带打出一系列的点，对纸带 上的点痕进行测量，即可验证机械能守恒定律 (1)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用天平测量出重物的质量； 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测量打出的纸带上某些点间的距离； F根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能 其中没有必要进行的或者操作不恰当的步骤是_(将其选项对应的字母填在横线 处) (2)利用这个
7、装置也可以测量重物下落的加速度 a 的数值如图 4 所示，根据打出的纸 带，选取纸带上连续的五个点 A、B、C、D、E，测出 A 点距起始点 O 的距离为 x0， 点 A、C 间的距离为 x1，点 C、E 间的距离为 x2，使用交流电的频率为 f，根据这些条 件计算重物下落的加速度 a_.图 4 (3)在上述验证机械能守恒定律的实验中发现，重物减小的重力势能总是大于重物增加 的动能，其原因主要是重物下落的过程中存在阻力作用，可以通过该实验装置测定该阻 力的大小若已知当地重力加速度公认的较准确的值是 g，还需要测量的物理量是： _.试用这些物理量和上图纸带上的数据符号表示出重物在下落的过程中 受
8、到的平均阻力为 F_. 规范思维题型二题型二 实验数据的处理实验数据的处理 【例 2】 (2011如皋统考)在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，质量 m1.00 kg 的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列点如图 5 所示为选取的一条符 合实验要求的纸带，O 为第一个点(速度恰好为零)，每两个计数点之间还有四个点未 画出，选连续的 3 个计数点 A、B、C 作为测量的点，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.已知打点计时器每隔 0.02 s 打一次点， 当地的重力加速度 g9.80 m/s2.图 5 根据以上数据
9、，可计算出打 B 点时的速度 vB_ m/s；重物由 O 点运动到 B 点， 重力势能减少了_ J，动能增加了_ J根据所测量的数据，还可以求出 物体实际下落的加速度为_ m/s2，物体在从 A 到 B 下落的过程中所受到的平均 阻力为_ N(计算结果都要保留 3 位有效数字)，该阻力的来源主要有： (1)_；(2)_.1在做验证机械能守恒定律实验时，发现重物减少的势能总是大于重物增加的动能， 造成这种现象的原因是( ) A选用的重物质量过大 B重物质量测量不准 C空气对重物的阻力和打点计时器对纸带的阻力 D实验时操作不太仔细，实验数据测量不准确图 6 2(2010湖南理综)图 6 为验证机械
10、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 C012 V 的直流电源 D012 V 的交流电源 (2)实验中误差产生的原因有_ _ _ _.(写 出两个原因)图 7 3(2010安徽理综)利用图 7 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 vgt 计
11、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 v计算出瞬时速度2ghc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，并通过计算得出高度 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)图 8 4(2011陕西西安地区联考)在“验证机械能守恒定律”的实验中： (1)某同学用图 8 所示装置进行实验，得到图 9 所示的纸带，测出点 A、C 间的距离为 14.77 cm，点 C、E 间的距离为
12、16.33 cm，已知当地重力加速度为 9.8 m/s2，打点计时器 所用交流电源的频率为 50 Hz，重锤的质量为 m1.0 kg，则重锤在下落过程中受到的 平均阻力大小 Ff_.图 9 (2)某同学上交的实验报告显示重锤增加的动能略大于重锤减少的重力势能，则出现这 一问题的原因可能是_(填序号) A重锤的质量测量错误 B该同学自编了实验数据 C交流电源的频率不等于 50 Hz D重锤下落时受到的阻力过大 5(全国高考22)如图 10 所示，两个质量各为 m1和 m2的小物块 A 和 B，分别系在 一条跨过定滑轮的软绳两端，已知 m1m2，现要利用此装置验证机械能守恒定律 (1)若选定物块 A 从静止开始下落的过程进行测量，则需要测量的物理量有_图 10 物块的质量 m1、m2； 物块 A 下落的距离及下落这段距离所用的时间； 物块 B 上升的距离及上升这段距离所用的时间； 绳子的长度 (2)为提高实验结果的准确程度，某小组同学对此实验提出以下建议： 绳的质量要轻； 在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好； 尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃； 两个物块的质量之差要尽可能小 以上建议中确实对提高准确程度有作用的是_ _
