《2018-2019版高中同步系列课堂讲义物理人教版（通用版）讲义：3.8实验：验证机械能守恒定律 》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2018-2019版高中同步系列课堂讲义物理人教版（通用版）讲义：3.8实验：验证机械能守恒定律 （12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、3.8 实验：验证机械能守恒定律实验：验证机械能守恒定律 实验目的 1.会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。 2.掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。 实验原理 让物体自由下落，忽略阻力情况下物体的机械能守恒，有两种方案验证物体的 机械能守恒： 方案一：以物体自由下落的位置 O 为起始点，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。 1 2 方案二：测出物体下落高度 h 过程的初、末时刻的速度 v1、v2，v1、v2的计算 方法与方案一的相同。若关系式 mv mv mgh 成立，则物体的机械能守 1 22 2 1 22 1
2、 恒。 实验器材 铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重锤(带纸带夹子)、纸带、复写纸、导线、 毫米刻度尺、低压交流电源。 实验过程 一、实验步骤 1.安装置：按图将检查、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：选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为 2_mm 的纸带，把纸带上 打出的两点间的距离为 2 mm 的第一个点作为起始点，记作 O，在距离 O 点较 远处再依次选出计
3、数点 1、2、3 4.测距离：用刻度尺测出 O 点到 1、2、3的距离，即为对应下落的高度 h1、h2、h3 二、数据处理 1.计算各点对应的瞬时速度：记下第 1 个点的位置 O，在纸带上从离 O 点适当 距离开始选取几个计数点 1、2、3并测量出各计数点到 O 点的距离 h1、h2、h3再根据公式 vn，计算出 1、2、3、4、n 点的 hn1hn1 2T 瞬时速度 v1、v2、v3、v4vn。 2.机械能守恒验证 方法一：利用起始点和第 n 点。 从起始点到第 n 个计数点，重力势能减少量为 mghn，动能增加量为 mv ，计 1 22 n 算 ghn和 v ，如果在实验误差允许的范围内
4、ghn v ，则机械能守恒定律得到 1 2 2 n 1 2 2 n 验证。 方法二：任取两点 A、B。 从 A 点到 B 点，重力势能减少量为 mghAmghB，动能增加量为 mv mv ，计算 ghAB和 v v ，如果在实验误差允许的范围内 ghAB v 1 22 B 1 22 A 1 2 2 B 1 2 2 A 1 2 v ，则机械能守恒定律得到验证。 2 B 1 2 2 A 方法三：图象法。 计算各计数点 v2，以 v2为纵轴，以各计数点到第一个点的距离 h 为横轴，根 1 2 1 2 据实验数据绘出 v2h 图线。若在误差许可的范围内图象是一条过原点且斜率 1 2 为 g 的直线，则
5、验证了机械能守恒定律。 误差分析 1.在进行长度测量时，测量及读数不准造成误差。 2.重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内能，下落高度越大，机械能 损失越多，所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象。 3.由于交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而产生误差。 注意事项 1.应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影 响，采取的措施有： (1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力。 (2)应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密 度可以减小体积，使空气阻力减小。 2.纸带选取： (1)以第一个
6、点为起点时，要验证的是 mv mghn，必须保证纸带上的第一个 1 22 n 点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距为 h gt2 10(0.02) 1 2 1 2 2m 2 mm。 (2)以下落中某点为起点时，要验证的是 mv mv mghmn，这时选择纸带 1 22 m 1 22 n 不需要满足两点间距为 2 mm。 3.计算速度时不能用 vgt 或 v，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机 2gh 械能守恒的错误。 实验原理与操作 精典示例 例 1 如图 1 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。回答下列问题： 图
7、1 (1)为完成此实验，除了所给的器材外，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)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材 B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上 C.先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带 D.测量纸带上某些点间的距离 E.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 其中操作不当的步骤是_。 (3)实验中误差产生的原因有_ _(写出两个原因)。 (4)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度 a 的数值。根据打出的纸带，选 取纸带上连续的五个点 A、
8、B、C、D、E，测出各点之间的距离如图 2 所示。使 用交流电源的频率为 f，则计算重锤下落的加速度的表达式 a_。(用 x1、x2、x3、x4及 f 表示) 图 2 解析 (1)为完成此实验，除了所给的器材外，测量需要米尺，电源需要 012 V 的交流电源。 (2)其中操作不当的步骤是将打点计时器接到电源的“直流输出”上，打点计时 器需要交流电源。 (3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力；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，选取初、末两点距离过近；交流电源频率不稳 定。 (4)由 xaT2得： a。 （x3x4x1x2） 4T2 （x3x4x1x2）f2 4 答案
9、(1)AD (2)B (3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力；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，选取初、末两点距离过 近；交流电源频率不稳定 (4) （x3x4x1x2）f2 4 实验数据的处理 精典示例 例 2 某同学用图 3 甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器 的电源为交流电源，可以使用的频率有 20 Hz、30 Hz 和 40 Hz，打出纸带的一 部分如图乙所示。该同学在实验中没有记录交流电的频率 f，需要用实验数据和 其他条件进行推算。 图 3 (1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用 f 和图乙中给出的物理量可以 写出：在打点计时器打
10、出 B 点时，重物下落的速度大小为_，打出 C 点时重物下落的速度大小为_，重物下落的加速度大小为 _。 (2)已测得 s18.89 cm，s29.50 cm，s310.10 cm；当地重力加速度大小为 9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的 1%。由此推算出 f 为 _Hz。 解析 (1)两点间时间间隔为 T ，vB，同理 vC 1 f x1x2 2T （x1x2）f 2 ，重物下落的加速度的大小为 a。 （x2x3）f 2 （x3x1）f2 2 (2)据 mg0.01mgma 和 a，代入数据可得 f 为 40 Hz。 （x3x1）f2 2 答案 (1) (2)40
11、（x1x2）f 2 （x2x3）f 2 （x3x1）f2 2 1.甲同学准备做“验证机械能守恒定律”的实验，乙同学准备做“探究加速度 与力、质量的关系”的实验。 (1)图 4 中 A、B、C、D、E 表示部分实验器材，甲同学需在图中选用的器材有 _；乙同学需在图中选用的器材有_。(用字母表示) 图 4 (2)乙同学在实验室选齐所需器材后，经正确操作获得如图 5 所示的两条纸带 和。纸带_(选填“”或“”)的加速度大，其加速度大小为 _。 图 5 答案 (1)A、B B、D、E (2) 2.50 m/s2 (2.482.52 m/s2均可) 2.在“验证机械能守恒定律”的实验中： (1)从下列器
12、材中选出实验所必须的，其编号为_。 A.打点计时器(包括纸带) B.重锤 C.天平 D.毫米刻度尺 E.秒表(或停表) F.运动小车 (2)进行实验时，为保证重物下落时初速度为零，应_。 A.先接通电源，再释放纸带 B.先释放纸带，再接通电源 (3)下列说法中正确的是_。 A.实验中用打点计时器时，一定用到低压直流电源 B.选用重物时，同样大小、形状的重物应选重一点的比较好 C.要选用第 1、2 两点距离接近 2 mm 的纸带 D.实验结果总是动能增加量略小于重力势能的减少量 解析 (1)打点计时器(含纸带)、重锤是必须的，为了测量计数点的距离，需要 毫米刻度尺；因为是比较 mgh、 mv2的
13、大小关系，故 m 可约去，不需要测出重 1 2 物的质量，不需要用天平；打点计时器本身可以计算时间，所以不需要秒表， 实验用的是重锤，不需要运动小车。故选 A、B、D。 (2)开始记录时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放纸带，让它带着纸带 一同落下。这样有利于数据的采集和处理，减少实验误差。故选 A。 (3)电火花计时器不用低压电源，电磁打点计时器用低压交流电源，故 A 错误； 为了减小空气阻力的影响，在选择重物时，要选择密度大的，即选择质量大体 积小的重物，B 正确；由公式 h gt2可知，若开始第 1、2 两点间的距离为 2 1 2 mm，则打第 1 个点时的速度为零，这样只需比较 m
14、gh、 mv2的大小关系即可， 1 2 实验方便，C 正确；由于空气阻力和纸带与计时器摩擦的影响，实验结果总是 动能增加量略小于重力势能的减少量，故 D 正确。 答案 (1)ABD (2)A (3)BCD 3.(2018郑州高一检测)如图 6 是利用重物自由下落验证机械能守恒定律的实验 装置。 图 6 (1)在验证机械能守恒定律的实验中，没有必要进行的操作是_。 A.用天平测重物的质量 B.用秒表测重物下落的时间 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 (2)该实验所用打点计时器的电源频率为 50 Hz，如图 7 所示，A、B、C 为纸带 中选取的三个计数点，每两
15、个计数点之间还有 4 个点未画出，则每两个计数点 之间的时间间隔 T_s，打点计时器在打下计数点 B 时，物体的下落速度 为 vB_m/s。(小数点后保留两位小数) 图 7 (3)由于该实验中存在阻力做功，所以实验测得的重物的重力势能的减少量 _(选填“” “”或“”)动能的增加量。 解析 (1)因为我们是比较 mgh、 mv2的大小关系，故 m 可约去比较，不需要测 1 2 出重物的质量，故 A 错误；我们可以通过打点计时器计算时间，不需要秒表， 故 B 错误；用打点计时器可以记录重物下落的时间和高度，故 C 正确；用纸带 记录测量重物下落的高度，故 D 正确。 (2)每两个计数点之间还有 4 个点未画出，则每两个计数点之间的时间间隔 T0.1 s。根据匀变速直线运动的规律中间时刻速度等于这段时间中的平均速度 得 vB2.36 m/s。 xAC tAC (3)由于纸带通过时受到较大的阻力和重物受到的空气阻力，重力势能有相当一 部分转化为摩擦产生的内能，所以重力势能的减少量明显大于动能的增加量。 答案 (1)AB (2)0.1 2.36 (3
