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1、实验：验证机械能守恒定律实验：验证机械能守恒定律一、实验目的一、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。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。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。mghmgh三、实验器材三、实验器材铁铁架架台台(带带铁铁夹夹)、_、重重锤锤(带带夹夹子子)、纸纸带带、复复写写纸纸、导导线线、毫毫米米刻度尺、刻度尺、_。打点计时器打点计时器低压交流电源低压交流电源四、实验步骤四、实验步骤1.安安装装置置：按按图图将将检检查查、调调整整好好的的打打点点计计时时器器竖竖直直固固定定在在铁铁架
2、架台上，接好电路。台上，接好电路。2.打打纸纸带带：将将纸纸带带的的一一端端用用夹夹子子固固定定在在重重物物上上；另另一一端端穿穿过过打打点点计计时时器器的的限限位位孔孔，用用手手提提着着纸纸带带使使重重物物静静止止在在_打打点点计计时时器器的的地地方方。先先_，后后松松开开纸纸带带，让让重重物物带着纸带自由下落。更换纸带重复做带着纸带自由下落。更换纸带重复做35次实验。次实验。靠近靠近接通电源接通电源3.选选纸纸带带：选选取取点点迹迹较较为为清清晰晰且且开开始始的的两两点点间间距距离离约约为为_的的纸纸带带，把把纸纸带带上上打打出出的的第第一一个个点点作作为为起起始始点点，记记作作O，在在距
3、距离离O点点较较远远处处再再依依次次选选出出计计数数点点1、2、34.测测距距离离：用用刻刻度度尺尺测测出出O点点到到1、2、3的的距距离离，即即为为对对应应下下落落的的高高度度h1、h2、h32 mm五、数据处理五、数据处理1.计计算算各各点点对对应应的的瞬瞬时时速速度度：记记下下第第1个个点点的的位位置置O，在在纸纸带带上上从从离离O点点适适当当距距离离开开始始选选取取几几个个计计数数点点1、2、3并并测测量量出出各各计计数数点点到到O点点的的距距离离h1、h2、h3再再根根据据公公式式vn_，计计算算出出1、2、3、4、n点点的的瞬瞬时时速速度度v1、v2、v3、v4vn。原点原点g六、
4、误差分析六、误差分析1.在进行长度测量时，测量及读数不准造成误差。在进行长度测量时，测量及读数不准造成误差。2.重重物物下下落落要要克克服服阻阻力力做做功功，部部分分机机械械能能转转化化成成_，下下落落高高度度越越大大，机机械械能能损损失失越多，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。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。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。七、注意事项七、注意事项1.应应尽尽可可能能控控制制实实验验满满足足机机械械能能守守恒恒的的条条件件，这这就就要要求
5、求尽尽量量减减小小各各种种阻阻力力的的影影响响，采采取的措施有：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_。(2)应应选选用用质质量量和和密密度度较较_的的重重物物，增增大大重重力力可可使使阻阻力力的的影影响响相相对对_，增增大大密密度可以减小体积，使空气阻力减小。度可以减小体积，使空气阻力减小。内能内能摩擦阻力摩擦阻力大大减小减小实验原理与操作实验原理与操作试题案例试题案例例例1 如如图图1为为验验证证“机机械械能能守守恒恒定定律律”的的实实验验装装置置示示意意图图。现现有有的的器器材材为为：带带铁铁夹
6、夹的的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题：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：图图1(1)为为完完成成此此实实验验，除除了了所所给给的的器器材材外外，还还需需要要的的器器材材有有_。(填填入入正正确确选选项项前前的字母的字母)A.米尺米尺B.秒表秒表C.012 V的直流电源的直流电源D.012 V的交流电源的交流电源(2)下面列举了该实验的几个操作步骤：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按照图示的装置安装器材B.将打点计时器接到电源的将打点计时器接到电源的“直流输出直流输出”上上C.用天平测出重锤的质量用天平测出重
7、锤的质量D.先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带E.测量纸带上某些点间的距离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其中操作不当的步骤是_。(3)实验中误差产生的原因有实验中误差产生的原因有_(写出两个原因写出两个原因)。(4)利利用用这这个个装装置置也也可可以以测测量量重重锤锤下下落落的的加加速速度度a的的数数值值。根根据据打打出出的的纸纸带带，选选取取纸纸带带上上连连续续的的五五个个点点A、B、C、D、E，测测出出各各点
8、点之之间间的的距距离离如如图图2所所示示。使使用用交交流流电电源源的的频率为频率为f，则计算重锤下落的加速度的表达式，则计算重锤下落的加速度的表达式a_。(用用x1、x2、x3、x4及及f表示表示)图图2解析解析(1)为完成此实验，除了所给的器材外，还需要米尺、为完成此实验，除了所给的器材外，还需要米尺、012 V的交流电源。的交流电源。(2)其其中中操操作作不不当当的的步步骤骤是是将将打打点点计计时时器器接接到到电电源源的的“直直流流输输出出”上上，打打点点计计时时器器需需要要交流电源。交流电源。(3)纸纸带带与与打打点点计计时时器器之之间间有有摩摩擦擦以以及及空空气气阻阻力力；用用米米尺尺
9、测测量量纸纸带带上上点点的的位位置置时时读读数数有有误差；计算重力势能变化时，选取初、末两点距离过近；交流电源频率不稳定等。误差；计算重力势能变化时，选取初、末两点距离过近；交流电源频率不稳定等。答答案案(1)AD(2)B(3)纸纸带带与与打打点点计计时时器器之之间间有有摩摩擦擦以以及及空空气气阻阻力力；用用米米尺尺测测量量纸纸带带上上点点的的位位置置时时读读数数有有误误差差；计计算算势势能能变变化化时时，选选取取初初、末末两两点点距距离离过过近近；交交流流电电源源频率不稳定频率不稳定针对训练针对训练1 (2018宁波高一检测宁波高一检测)在在“验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律”的实验中：
10、的实验中：(1)下列物理量中需要用工具直接测量的有下列物理量中需要用工具直接测量的有()A.重物的质量重物的质量B.重力加速度重力加速度C.重物下落的高度重物下落的高度D.与重物下落高度对应的重物的瞬时速度与重物下落高度对应的重物的瞬时速度解解析析(1)在在“验验证证机机械械能能守守恒恒定定律律”的的实实验验中中，只只需需要要用用刻刻度度尺尺测测量量重重物物下下落落的的高高度度，重重物物的的质质量量不不用用测测量量，重重力力加加速速度度不不需需要要测测量量，通通过过计计算算可可以以得得到到与与重重物物下下落落高高度度对对应的重物的瞬时速度。故选应的重物的瞬时速度。故选C。答案答案(1)C(2)
11、过原点的倾斜直线重力加速度过原点的倾斜直线重力加速度g实验数据的处理实验数据的处理试题案例试题案例例例2 (2018襄襄阳阳高高一一检检测测)某某同同学学做做“验验证证机机械械能能守守恒恒定定律律”实实验验时时，不不慎慎将将一一条条挑挑选选出出的的纸纸带带的的一一部部分分损损坏坏，损损坏坏的的是是前前端端部部分分，剩剩下下的的一一段段纸纸带带上上各各相相邻邻点点间间的的距距离离已已测测出出标标在在图图中中，单单位位是是cm。打打点点计计时时器器工工作作频频率率为为50 Hz，重重力力加加速速度度g取取9.8 m/s2。图图3(1)重重物物在在2点点的的速速度度v2_，在在5点点的的速速度度v5
12、_，此此过过程程中中动动能能增增加加量量Ek_，重重力力势势能能减减少少量量Ep_。由由以以上上可可得得出出实实验验结论结论_。(2)重重物物获获得得的的动动能能往往往往_(填填“大大于于”“”“小小于于”或或“等等于于”)减减少少的的重重力力势势能能，实验中产生系统误差的原因是实验中产生系统误差的原因是_。(3)根根据据实实验验判判断断下下列列图图像像正正确确的的是是(其其中中Ek表表示示重重物物动动能能的的变变化化量量，h表表示示物物体体下下落的高度落的高度)()(2)由由于于纸纸带带受受到到摩摩擦擦力力作作用用，需需克克服服摩摩擦擦力力做做功功，所所以以获获得得的的动动能能小小于于减减少
13、少的的重重力势能。力势能。(3)重重物物机机械械能能守守恒恒，重重物物减减少少的的重重力力势势能能转转化化为为增增加加的的动动能能，即即Ekmgh，可可见重物增加的动能与下落的距离成正比，选项见重物增加的动能与下落的距离成正比，选项C正确。正确。答答案案(1)1.50 m/s2.075 m/s1.03m J1.06m J在在误误差差允允许许的的范范围围内内，机机械械能能守恒守恒(2)小于纸带受到摩擦力作用小于纸带受到摩擦力作用(3)C针针对对训训练练2 某某同同学学用用图图4甲甲所所示示的的实实验验装装置置“验验证证机机械械能能守守恒恒定定律律”，其其中中打打点点计计时时器器的的电电源源为为交
14、交流流电电源源，可可以以使使用用的的频频率率有有20 Hz、30 Hz和和40 Hz，打打出出纸纸带带的的一一部部分分如如图图乙乙所所示示。该该同同学学在在实实验验中中没没有有记记录录交交流流电电的的频频率率f，需需要要用用实实验验数数据据和和其其他他条件进行推算。条件进行推算。图图4(1)若若从从打打出出的的纸纸带带可可判判定定重重物物匀匀加加速速下下落落，利利用用f和和图图乙乙中中给给出出的的物物理理量量可可以以写写出出：在在打打点点计计时时器器打打出出B点点时时，重重物物下下落落的的速速度度大大小小为为_，打打出出C点点时时重重物物下下落落的的速速度度大小为大小为_，重物下落的加速度大小
15、为，重物下落的加速度大小为_。(2)已已测测得得s18.89 cm，s29.50 cm，s310.10 cm；当当地地重重力力加加速速度度大大小小为为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。由此推算出f为为_Hz。实验创新设计实验创新设计试题案例试题案例例例3 (2018青青岛岛高高一一检检测测)利利用用如如图图5所所示示实实验验装装置置来来“验验证证机机械械能能守守恒恒定定律律”。通通过过电电磁磁铁铁控控制制的的小小铁铁球球从从A点点自自由由下下落落，下下落落过过程程中中小小铁铁球球经经过过光光电电门门B时时，毫毫
16、秒秒计计时时器器(图图中中未未画画出出)记记录录下下小小铁铁球球的的挡挡光光时时间间t。实实验验前前调调整整光光电电门门位位置置，使使小小球球下下落落过程中，小铁球球心垂直细激光束通过光电门，当地重力加速度为过程中，小铁球球心垂直细激光束通过光电门，当地重力加速度为g。图图5(1)为了验证小铁球下落过程中机械能是否守恒，还需要测量的物理量是为了验证小铁球下落过程中机械能是否守恒，还需要测量的物理量是_。A.A点距地面的高度点距地面的高度HB.A、B之间的距离之间的距离hC.小铁球从小铁球从A到到B的下落时间的下落时间tABD.小铁球的直径小铁球的直径d(2)小小铁铁球球通通过过光光电电门门时时
17、的的瞬瞬时时速速度度v_；要要验验证证小小铁铁球球下下落落过过程程中中机机械械能能是是否否守守恒恒，只只需需验验证证等等式式_是是否否成成立立即即可可(用用实实验验中中测测得得物物理理量量的的符符号号表示表示)。解解析析(1)根根据据实实验验原原理理可可知知，需需要要测测量量的的是是A点点到到光光电电门门B的的距距离离，故故A错错误误，B正正确确；利利用用小小球球通通过过光光电电门门的的平平均均速速度度来来代代替替瞬瞬时时速速度度，不不需需要要测测量量下下落落时时间间，故故C错错误误；利利用用小小球球通通过过光光电电门门的的平平均均速速度度来来代代替替瞬瞬时时速速度度时时，需需要要知知道道挡挡
18、光光物物体体的的尺尺寸，因此需要测量小球的直径，故寸，因此需要测量小球的直径，故D正确。正确。针针对对训训练练3 现现利利用用如如图图6所所示示装装置置验验证证机机械械能能守守恒恒定定律律。图图中中AB是是固固定定的的光光滑滑斜斜面面，斜斜面面的的倾倾角角为为30，1和和2是是固固定定在在斜斜面面上上适适当当位位置置的的两两个个光光电电门门，与与它它们们连连接接的的光光电电计计时时器器都都没没有有画画出出。让让滑滑块块从从斜斜面面的的顶顶端端滑滑下下，光光电电门门1、2各各自自连连接接的的光光电电计计时时器器显显示示的的挡挡光光时时间间分分别别为为5.00102 s、2.00102 s。已已知知滑滑块块质质量量为为2.00 kg，滑滑块块沿沿斜斜面面方方向向的的长长度度为为5.00 cm，光光电电门门1和和2之之间间的的距距离离为为0.54 m，g取取9.80 m/s2，取取滑滑块块经经过过光电门时的速度为其平均速度。光电门时的速度为其平均速度。图图6(1)滑滑块块经经过过光光电电门门1时时的的速速度度v1_ m/s，通通过过光光电电门门2时时的的速速度度v2_ m/s。(2)滑滑块块通通过过光光电电门门1、2之之间间的的动动能能增增加加量量为为_J，重重力力势势能能的的减减少少量量为为_J。答案答案(1)1.002.50(2)5.255.29
