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1、9.实验:验证机械能守恒定律,自我检测,自主阅读,一、实验方法1.实验器材:验证机械能守恒定律的装置如图所示,实验用到的器材有:铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(46 V)。,自我检测,自主阅读,2.测量重物下落过程中重力势能的变化:重物的质量用天平测出,纸带上某两点的距离等于重物下落的高度,用毫米刻度尺测量这样就能得到重物下落过程中重力势能的变化。,4.验证机械能守恒:实验中比较物体在某两点间的动能变化与重力势能变化,就能验证机械能守恒。,自我检测,自主阅读,二、注意的问题1.减少阻力的方法:重物下落的过程中,除了重力外还会受到空
2、气阻力和摩擦阻力的影响。减小这些阻力的方法有(1)应选用质量和密度较大的重物,以减小阻力的影响;(2)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.重物下落过程的开始和终结的位置的选择:选起始点和后边距离起始点适当远些的一个点分析机械能守恒方便。3.增加实验结果可靠性的操作:可以重复进行多次实验,还要在一次下落中测量多个位置的速度,比较重物在这些位置上动能和势能之和。,自我检测,自主阅读,1.正误辨析(1)为了减小阻力的影响,实验所用重物只要选择质量较大的物体即可。()解析:应选择密度较大且质量较大的重物。答案:(2)实验中求重物在某点的速度可以根据vn=2ghn求解。
3、()解析:关系式vn=2ghn是根据机械能守恒定律mgh=12mv2得到的,而我们的目的是验证机械能守恒定律,故此法错误。答案:(3)实验时,应先打开打点计时器电源,待打点稳定后再释放重物。()答案:,自我检测,自主阅读,(4)验证机械能守恒定律实验中需要用到天平。 (),答案:,自我检测,自主阅读,2.在验证机械能守恒定律的实验中,下列器材中哪些为必需的()A.打点计时器(包括纸带)B.重物C.天平D.毫米刻度尺E.秒表F.运动小车答案:ABD,探究一,探究二,情景导引实验中,某同学计算出各点对应速度的二次方值,并测出从第一个点到这点高度差h,作出v2-h图象,如图所示,为了验证机械能守恒定
4、律,他应该做哪些分析?要点提示计算出直线斜率为k,若在误差允许的范围内k=2g,则验证了机械能守恒定律。,实验步骤和数据处理,探究一,探究二,知识归纳1.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。,探究一,探究二,(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
5、再依次选出计数点1、2、3(4)测距离:用刻度尺测出O点到计数点1、2、3的距离,即为对应下落的高度h1、h2、h3,探究一,探究二,2.数据处理(1)方法一:利用起始点和第n点,(2)方法二:任取两点A、B,探究一,探究二,(3)方法三:图象法,探究一,探究二,典例剖析【例1】 (1)用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律,在下面所列举的该实验的几个操作步骤中,你认为没有必要进行的或者错误的步骤是(填字母代号)。,探究一,探究二,A.按照图示的装置安装器件B.将打点计时器接到学生电源的直流输出端上C.用天平测量出重物的质量D.先放手让纸带和重物下落,再接通电源开关E.在打出的纸带上,依据打点
6、的先后顺序选取A、B、C、D四个合适的相邻点,通过测量计算得出B、C两点的速度为vB、vC,并测出B、C两点间的距离为h,探究一,探究二,(2)实验中,打点周期为0.02 s,自由下落的重物质量为1 kg,打出一条理想的纸带,数据如图所示,单位是cm,g取9.8 m/s2,O、A之间有多个点没画出,打点计时器打下点B时,物体的速度vB= m/s,从起点O到打下B点的过程中,重力势能的减少量Ep= J,此过程中物体动能的增量Ek= J。(答案保留两位有效数字),探究一,探究二,解析:(1)步骤B错,应该接到电源的交流输出端;步骤C不必要,因为根据测量原理,重物的动能和势能表达式中都包含了质量m,
7、可以约去,所以不必测量重物的质量;步骤D错,应先接通电源,待打点计时器工作稳定后再释放纸带。,从点O到点B,重力势能的减少量Ep=mghOB=19.85.0110-2 J0.49 J此过程物体动能的增加量,答案:(1)BCD(2)0.980.490.48,探究一,探究二,实验误差分析与注意事项情景导引实验时,有同学根据自由落体运动的位移公式h= gt2计算出纸带上第1、2两点间的距离应该接近2 mm,所以选择纸带时一定选择满足这一条件的纸带,你认为他说的正确吗?为什么?,探究一,探究二,知识归纳1.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
8、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)由于交变电流的周期不稳定,造成打点时间间隔变化而产生误差。,探究一,探究二,2.注意事项(1)打点计时器安装要稳固,并使两限位孔的中线在同一竖直线上,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,可使空气阻力的影响相对减小。(3)实验时,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)本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m。,探究一,探究二,典例剖析【例2】在验证机械能守恒定律的实验中,有位同学按以下步骤进行实
9、验操作:A.用天平称出重锤和夹子的质量B.固定好打点计时器,将连着重锤的纸带穿过限位孔,用手提住,且让手尽量靠近打点计时器C.松开纸带,接通电源,开始打点,并如此重复多次,以得到几条打点的纸带D.取下纸带,挑选点迹清晰的纸带,记下起始点O,在距离O点较近处选择几个连续计数点(或计时点),并计算出各点的速度值E.测出各计数点到O点的距离,即得到重锤下落的高度,探究一,探究二,在以上步骤中,不必要的步骤是。有错误或不妥的步骤是。(填写代表字母)更正情况:;。,探究一,探究二,解析:A步骤可有可无,不称量重物的质量也可验证机械能守恒定律;B步骤中应让重物尽量靠近打点计时器,而不是手靠近;C步骤中应先
10、接通电源,后释放纸带;D步骤中应选取离O点较远的点,这样测量时距离较远,测量的相对误差较小;F步骤中应计算ghn和,1,2,3,4,5,1.关于验证机械能守恒定律的实验中,以下说法正确的是 ()A.实验中摩擦是不可避免的,因此纸带越短越好,因为纸带越短,克服摩擦力做的功就越小,误差就越小B.实验时应称出重锤的质量C.纸带上第1、2两点间距若不接近2 mm,则无论怎样处理实验数据,实验误差一定较大D.处理打完点的纸带时,可以直接利用打点计时器打出的实际点迹,而不必采用“计数点”的方法,1,2,3,4,5,解析:在打纸带时,纸带太短了,不易打出符合实验要求的纸带,选项,选项C错误;处理纸带时,由于
11、自由落体加速度较大,纸带上点迹距离较大,故可直接用实际点迹测量研究。答案:D,1,2,3,4,5,2.用右图所示装置验证机械能守恒定律,由于电火花计时器两限位孔不在同一竖直线上,使纸带通过时受到较大的阻力,这样实验造成的结果是()A.重力势能的减少量明显大于动能的增加量B.重力势能的减少量明显小于动能的增加量C.重力势能的减少量等于动能的增加量D.以上几种情况都有可能解析:由于重物下落时要克服阻力做功,重物减少的重力势能转化为重物的动能和系统的内能,故重力势能的减少量大于动能的增加量,A正确。答案:A,1,2,3,4,5,3.在验证机械能守恒定律的实验中,某同学依据纸带求得相关各点的瞬时速度,
12、以及与各瞬时速度相对应的从第一个点开始下落的距离h,以v2为纵轴,以h为横轴,建立坐标系,描点后画出变化图线,从而验证机械能守恒定律,若所有操作均正确,则得到的v2-h图象应是下图中的(),解析:由 mv2=mgh得v2=2gh,所以v2h,所画v2-h图象是一通过原点的直线。答案:C,1,2,3,4,5,4.在验证机械能守恒定律的实验中,已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz,查得当地的重力加速度g取9.8 m/s2,某同学选择了一条理想的纸带,用刻度尺从O点开始测量时各计数点对应刻度尺上的读数如图所示,图中O点是打点计时器打出的第一个点,A、B、C、D分别是每打两个点取的计数点。则重物由
13、O点运动到B点时(重物质量为m)(1)重力势能的减少量是 J,动能的增加量是 J。(2)重力势能的减少量(选填“略大于”或“略小于”)动能的增加量,原因是。(3)根据计算的数据得出的结论:。,1,2,3,4,5,解析:(1)重力势能的减少量为Ep=mghOB=m9.80.195 J=1.911m J。重物下落到B点时的速度为,(2)略大于;由于空气阻力和限位孔的摩擦阻力做功,将部分机械能转化为了内能。(3)从以上计算的数据得出:在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能,即机械能守恒。,1,2,3,4,5,答案:(1)1.911m1.89m(2)略大于见解析(3)在实验误差允许的
14、范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能,即机械能守恒,1,2,3,4,5,5.现利用如图所示装置验证机械能守恒定律。图中AB是固定的光滑斜面,斜面的倾角为30,1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门,与它们连接的光电计时器都没有画出。让滑块从斜面的顶端滑下,光电门1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为5.0010-2 s、2.0010-2 s。已知滑块质量为2.00 kg,滑块沿斜面方向的长度为5.00 cm,光电门1和2之间的距离为0.54 m,g取9.80 m/s2,取滑块经过光电门时的速度为其平均速度。,(1)滑块经过光电门1时的速度v1= m/s,通过光电门2时的速度v2= m/s。(2)滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为 J,重力势能的减少量为 J。,1,2,3,4,5,重力势能的减少量:Ep=2.009.800.54sin 30 J5.29 J。答案:(1)1.002.50(2)5.255.29,