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1、实验验证机械能守恒定律 一、实验目的 验证机械能守恒定律。 二、实验原理 实验原理图 三、实验器材 铁架台(含铁夹)、打点计时器、学生电源、纸带、复写纸、导线、毫米 刻度尺、重物(带纸带夹)。 四、实验过程 1.安装置:如图所示,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。 六、误差分析 1.本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打 点计时器阻力)做功,故动能的增
2、加量Ek稍小于重力势能的减少量Ep,即 EkEp,这属于系统误差。改进的办法是调整器材的安装,尽可能地减小 阻力。 2.本实验的另一个误差来源于长度的测量,属偶然误差。减小误差的办 法是测下落距离时都从0点量起,一次将各计数点对应的下落高度测量完; 或者多次测量取平均值来减小误差。 3.打点计时器产生的误差。 (1)由于交变电流周期的变化,引起打点时间间隔变化而产生误差; (2)计数点选择不好,振动片振动不均匀,纸带放置方法不正确引起摩擦, 造成实验误差。 七、注意事项 1.打点计时器要稳定地固定在铁架台上,打点计时器平面与纸带限位孔 调整到竖直方向,以减小摩擦阻力。 2.重物要选用密度大、体
3、积小的物体,这样可以减小空气阻力的影响,从 而减小实验误差。 3.实验中,需保持提纸带的手不动,且保证纸带竖直,待接通电源,打点计时 器工作稳定后,再松开纸带。 4.测量下落高度时,为了减小测量值h的相对误差,选取的各个计数点要离 起始点远一些,纸带也不易过长,有效长度可在6080cm之间。 能力形成点1实验原理与操作 【例1】 某兴趣小组利用自由落体运动来验证机械能守恒定律。 (1)(多选)在本实验中需要测量的物理量有_。 A.重物的质量 B.重力加速度 C.重物下落的高度 D.与重物下落高度所对应的瞬时速度大小 (2)(多选)下列器材中,实验必须用到的有_。 A.打点计时器B.重物 C.天
4、平D.毫米刻度尺 E.停表F.小车 CD ABD (3)请完成以下实验操作步骤: A.准备实验器材; B.将打点计时器竖直固定在铁架台上; C.将重物连接在纸带上并穿过打点计时器; D.接通电源,释放纸带; E.取下纸带,重复上述实验步骤多次; F._。拆除装置,整理器材 (4)实验中打出的某条点迹清晰的纸带如图所示。已知打点计时器所用 电源的频率为50Hz,当地的重力加速度g取9.80m/s2,重物的质量为1.00kg 。重物运动到打B点时的动能为_J,运动到打E点时的动能为_ J,从打B点到打E点的过程中,重物重力势能减少了_J。(均保留3位 有效数字) 2.473.94 1.48 能力形
5、成点2实验数据处理与误差分析 【例2】 (2020江苏苏州虎丘一中一模)验证机械能守恒定律的实验装置 如图所示。 (1)一同学按照正确的实验步骤操作后,选出一条纸带如图所示,其中O点 为打点计时器打下的第一个点。从纸带上A点开始每隔一个点取一个计数 点,取得两个计数点B和C。该同学用刻度尺测得hOA=9.62cm,hOB=15.89 cm,hOC=23.64cm。已知打点计时器每0.02s打一个点,重物的质量为1.00 kg,g取9.80m/s2。在OB段运动过程中,重物重力势能的减少量 Ep=_J,重物动能的增加量Ek=_J。(结果均保留3 位有效数字) 1.56 1.53 (1.531.5
6、4均可) (2)另一同学利用该实验装置测定当地的重力加速度。他打出了一条纸 带后,利用纸带测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h, 算出了各计数点对应的速度v,以h为横轴、以为纵轴画出了如图所示 的图线。由于图线明显偏离原点,若测量和计算都没有问题,其原因可能是 _。该同学测出图线的斜率为k, 如果阻力不可忽略,则当地的重力加速度g_(选填“大于”“等于 ”或“小于”)k。 先释放重物,再接通(打点计时器)电源 大于 能力形成点3实验探究拓展 在高考中往往以教材上的实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器设 置题目,不脱离教材而又不拘泥于教材,体现开放性、探究性、实验方法的 改进等特
7、点。 1.实验器材、装置的改进 2.速度测量方法的改进 由光电门计算速度由纸带上各点计算速度 3.实验方案的改进 利用自由落体运动的闪光照片验证机械能守恒定律。 【例3】 利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置如图所示。 (1)实验步骤。 将气垫导轨放在水平桌面上,桌面高度不低于1m,将导轨调至水平。 用游标卡尺测量挡光条的宽度l=9.30mm。 由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离x=_cm。 将滑块移至光电门1左侧某处,待砝码静止不动时,释放滑块,要求砝码 落地前挡光条已通过光电门2。 60.00(59.9660.04) 从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2
8、所用的时间t1和t2。 用天平称出滑块和挡光条的总质量m0,再称出托盘和砝码的总质量m 。 (2)用表示直接测量量的字母写出下列所求物理量的表达式: 滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1=_和 v2=_。 当滑块通过光电门1和光电门2时,系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝 码)的总动能分别为Ek1=_和Ek2=_。 在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中,系统势能的减少 Ep=_(重力加速度为g)。 (3)如果Ep=_,则可认为验证了机械能守恒定律。 mgx Ek2-Ek1 解析:(1)由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离 x=80.30cm-20.30cm=60.00cm。 (3)两
9、光电门中心之间的距离x为砝码和托盘下落的高度,系统势能的减小 量Ep=mgx,最后对比Ek2-Ek1与Ep数值大小,若在误差允许的范围内相等, 就验证了机械能守恒定律。 特别提醒该实验的创新之处是实验器材的变化:打点计时器改用光电计时 器,减小了因摩擦造成的误差,提高了速度测量的精度。 1.(2020湖北宜昌四月调研)用自由落体法验证机械能守恒定律,打出如图 甲所示的一条纸带。已知打点计时器工作频率为50Hz。 (1)根据纸带所给数据,打下C点时重物的速度为_m/s(结果 保留3位有效数字)。 (2)某同学选用两个形状相同、质量不同的重物A和B进行实验,测得几组 数据,画出图像,并求出图线的斜
10、率k,如图乙所示,由图像可知A的质量 m1_(选填“大于”或“小于”)B的质量m2。 (3)通过分析发现造成k2值偏小的原因是实验中存在各种阻力,已知实验 所用重物的质量m2=0.052kg,当地重力加速度g取9.78m/s2,则重物所受的 平均阻力Ff=_N(结果保留2位有效数字)。 2.25 大于 0.031 2.(2020四川资阳一诊)利用气垫导轨验证机械能守恒定律的实验装置如 图甲所示,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m0,左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量 为m的小球相连;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点到光电门B处的距离,b 表示遮光片的宽度,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v,实验时滑块在A处由静止开始运动。 (1)某次实验测得倾角=30,重力加速度用g表示,滑块从A处到达B处时 m和m0组成的系统动能增加量可表示为Ek=_,系统的重 力势能减少量可表示为Ep=_,在误差允许的范围内,若 Ek=Ep,则可认为系统的机械能守恒;(用题中所给字母表示) (2)按上述实验方法,某同学改变A、B间的距离,得到滑块到B点时对应的 速度,作出v2-d图像如图乙所示,并测得m0=m,则重力加速度g=_m/s2 。 9.6
