實驗6驗證機械能守恒定律考綱解讀(1)會根據(jù)紙帶測定下落的距離，掌握測量瞬時速度的方法。(2)能根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出實驗結(jié)論。(3)能對實驗誤差的產(chǎn)生原因作定性分析。誤差分析1.減小測量誤差：一是測下落距離時都從0點量起，一次將各打點對應(yīng)下落高度測量完，二是多測幾次取平均值。2.誤差來源：由于重物和紙帶下落過程中要克服阻力做功，故動能的增加量Ekmv必定稍小于重力勢能的減少量Epmghn，改進辦法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減小阻力。注意事項1.打點計時器要豎直：安裝打點計時器時要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)以減少摩擦阻力。2.重物密度要大：重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料。3.一先一后：應(yīng)先接通電源，讓打點計時器正常工作，后松開紙帶讓重物下落。4.測長度，算速度：某時刻的瞬時速度的計算應(yīng)用vn，不能用vn或vngt來計算。熱點一教材原型實驗【例1】用如圖1所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律。實驗所用的電源為學生電源，輸出電壓為6 V的交流電和直流電兩種。重錘從高處由靜止開始下落，重錘上拖著的紙帶打出一系列的點，對圖中紙帶上的點痕進行測量，即可驗證機械能守恒定律。圖1(1)下面列舉了該實驗的幾個操作步驟：A.按照圖示的裝置安裝器件B.將打點計時器接到電源的“直流輸出”上C.用天平測出重錘的質(zhì)量D.先接通電源，后釋放紙帶，打出一條紙帶E.測量紙帶上某些點間的距離F.根據(jù)測量的結(jié)果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能其中沒有必要進行的步驟是_，操作不當?shù)牟襟E是_。(2)利用這個裝置也可以測量重錘下落的加速度a的數(shù)值。根據(jù)打出的紙帶，選取紙帶上的連續(xù)的五個點A、B、C、D、E，測出各點之間的距離如圖2所示，使用電源的頻率為f，則計算重錘下落的加速度的表達式a_。(用x1、x2、x3、x4及f表示)。圖2解析(1)步驟C不必要。重錘的質(zhì)量不需要測量，因為等式mghmv2兩邊把質(zhì)量約掉了；打點計時器使用的是低壓交流電源，所以步驟B是錯誤的。(2)為了減小實驗誤差，可以采用逐差法求加速度，x4x22aT2，x3x12aT2，所以由以上兩式得a。答案(1)CB(2)熱點二實驗拓展創(chuàng)新【例2】利用圖3裝置做“驗證機械能守恒定律”實驗。圖3(1)為驗證機械能是否守恒，需要比較重物下落過程中任意兩點間的_。A.動能變化量與勢能變化量B.速度變化量與勢能變化量C.速度變化量與高度變化量(2)除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(含鐵夾)、電磁打點計時器、導線及開關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的兩種器材是_。A.交流電源B.刻度尺C.天平(含砝碼)(3)實驗中，先接通電源，再釋放重物，得到圖4所示的一條紙帶。在紙帶上選取三個連續(xù)打出的點A、B、C，測得它們到起始點O的距離分別為hA、hB、hC。已知當?shù)刂亓铀俣葹間，打點計時器打點的周期為T。設(shè)重物的質(zhì)量為m。從打O點到打B點的過程中，重物的重力勢能變化量Ep_，動能變化量Ek_。圖4(4)大多數(shù)學生的實驗結(jié)果顯示，重力勢能的減少量大于動能的增加量，原因是_。A.利用公式vgt計算重物速度B.利用公式v計算重物速度C.存在空氣阻力和摩擦阻力的影響D.沒有采用多次實驗取平均值的方法(5)某同學想用下述方法研究機械能是否守恒，在紙帶上選取多個計數(shù)點，測量它們到起始點O的距離h，計算對應(yīng)計數(shù)點的重物速度v，描繪v2h圖象，并做如下判斷：若圖象是一條過原點的直線，則重物下落過程中機械能守恒，請你分析論證該同學的判斷是否正確的。解析(1)重物下落過程中重力勢能減少，動能增加，故該實驗需要比較重物下落過程中任意兩點間的動能變化量與勢能變化量在誤差范圍內(nèi)是否相等，A項正確。(2)電磁打點計時器使用的是交流電源，故要選A，需要測紙帶上兩點間的距離，還需要刻度尺，選B，根據(jù)mghmv20可將等式兩邊的質(zhì)量抵消，不需要天平，不需用C。(3)重物的重力勢能變化量為EpmghB，動能的變化量Ekmvm()2(4)重物重力勢能的減少量略大于動能的增加量，是因為重物下落過程中存在空氣阻力和摩擦阻力的影響，C正確。(5)該同學的判斷依據(jù)不正確，在重物下落h的過程中，若阻力f恒定，根據(jù)mghfhmv20，則v22(g)h可知，v2h圖象就是過原點的一條直線。要想通過v2h圖象的方法驗證機械能是否守恒，還必須看圖象的斜率是否接近2g。答案(1)A(2)AB(3)mghBm()2(4)C(5)不正確，理由見解析1.利用圖示5裝置進行“驗證機械能守恒定律”的實驗時，需要測量物體由靜止開始自由下落到某點時的瞬時速度v和下落高度h。某班同學利用實驗得到的紙帶，設(shè)計了以下四種測量方案：圖5A.用刻度尺測出物體下落的高度h，并測出下落時間t，通過vgt計算出瞬時速度vB.用刻度尺測出物體下落的高度h，并通過v計算出瞬時速度vC.根據(jù)做勻變速直線運動時紙帶上某點的瞬時速度，等于這點前后相鄰兩點間的平均速度，測算出瞬時速度v，并通過h計算出高度hD.用刻度尺測出物體下落的高度h，根據(jù)做勻變速直線運動時紙帶上某點的瞬時速度，等于這點前后相鄰兩點間的平均速度，測算出瞬時速度v以上方案中只有一種正確，正確的是_。(填入相應(yīng)的字母)解析在驗證機械能守恒定律的實驗中不能將物體下落的加速度看做g，只能把它當做未知的定值，所以正確方案只有D項。答案D2.(2018·4月浙江選考)(1)用圖6所示裝置做“探究功與速度變化的關(guān)系”實驗時，除了圖中已給出的實驗器材外，還需要的測量工具有_(填字母)；圖6A.秒表 B.天平C.刻度尺 D.彈簧測力計(2)用圖7所示裝置做“驗證機械能守恒定律”實驗時，釋放重物前有下列操作。其中正確的是_(填字母)；圖7A.將打點計時器的兩個限位孔調(diào)節(jié)到同一豎直線上B.手提紙帶任意位置C.使重物靠近打點計時器(3)如圖8是小球做平拋運動的頻閃照片，其上覆蓋了一張透明方格紙。已知方格紙每小格的邊長均為0.80 cm。由圖可知小球的初速度大小為_ m/s(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字，g取10 m/s2)。圖8解析(1)根據(jù)實驗原理，只需證明速度的平方和橡皮筋數(shù)量成正比即可，故只需刻度尺，所以選C項。(2)“驗證機械能守恒定律”實驗，需要保持紙帶豎直，需要將打點計時器的兩個限位孔調(diào)節(jié)到同一豎直線上，重物盡可能靠近打點計時器，這樣就可以多打點，在處理紙帶時，就增大了有效部分的紙帶長度，提高實驗準確率，所以A、C正確。(3)根據(jù)hgt2，即2×0.8×10210t2，解得t0.04 s，由v0可知v0 m/s0.70 m/s答案(1)C(2)AC(3)0.703.在進行“驗證機械能守恒定律”的實驗中：圖9(1)兩實驗小組同學分別采用了如圖9甲和乙所示的裝置，采用兩種不同的實驗方案進行實驗。在圖甲中，下落物體應(yīng)選擇密度_(選填“大”或“小”)的重物；在圖乙中，兩個重物的質(zhì)量關(guān)系是m1_m2(選填“”、“”、“”)；采用圖乙的方案進行實驗，還需要的實驗器材有交流電源，刻度尺和_；比較兩種實驗方案，你認為圖_(選填“甲”或“乙”)所示實驗方案更合理，理由是_。(2)有一同學采用了圖9甲所示的方案，選出一條紙帶如圖10所示，其中O點為起始點，A、B、C為三個計數(shù)點，打點計時器通以50 Hz交流電，在計數(shù)點A和B之間、B和C之間還各有一個點，重物的質(zhì)量為0.5 kg，g取9.8 m/s2。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，打B點時重物的重力勢能比開始下落時減少了_ J，這時它的動能是_ J，根據(jù)上面這兩個數(shù)據(jù)你能得到的結(jié)論是：_。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)圖10解析(1)為了減小空氣阻力的影響，選擇體積小、密度大的重物；在題圖乙中，m2在m1的拉力作用下向上運動，所以m1m2。兩重物質(zhì)量不等，分析系統(tǒng)損失的重力勢能是否近似等于增加的動能時，兩邊質(zhì)量不能約去，故需要天平測量兩重物的質(zhì)量。題圖乙中所示實驗還受到細線與滑輪的阻力的影響，機械能損失較大，故題圖甲所示實驗方案較為合理。(2)重力勢能減少量為EpmghOB0.867 J；打B點時重物的速度為vB，打B點時重物的動能為EkBm()20.852 J，可見在誤差允許的范圍內(nèi)，重物下落時機械能守恒。答案(1)大天平甲圖乙中還受到細線與滑輪的阻力的影響(2)0.8670.852在誤差允許的范圍內(nèi)，重物下落時機械能守恒4.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，現(xiàn)有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺、電磁打點計時器、紙帶、重錘、天平、毫米刻度尺、50 Hz交流電源?；卮鹣铝袉栴}：(1)關(guān)于重錘的選用，以下說法正確的是()A.選用重錘時，重的比輕的好B.選用重錘時，密度大的比密度小的好C.選用重錘后要稱質(zhì)量D.重錘所受重力要遠大于它所受的空氣阻力和打點計時器對紙帶的阻力(2)如圖11所示，釋放紙帶前的瞬間，重錘和手的位置合理的是_(填“甲”、“乙”、“丙”或“丁”)。作這樣選擇的原因是_。圖11(3)在實驗中，由于打點計時器兩限位孔不在同一豎直線上，使紙帶通過時受到較大阻力，則結(jié)果()A.mgh>mv2 B.mgh<mv2C.mghmv2 D.以上都有可能解析(1)選重錘應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力減小。故選項A、B、D正確。(2)實驗中要讓重錘靠近打點計時器，可以在紙帶上記錄足夠多的點；實驗中手提著紙帶上端并保持紙帶豎直，可以減少紙帶與限位孔間的摩擦阻力，故丙正確。原因如上所述。(3)重錘帶動紙帶下落過程中，除了重力還受到較大的阻力，從能量轉(zhuǎn)化的角度看，由于阻力做功，重力勢能減少的量除了轉(zhuǎn)化給了動能還有一部分轉(zhuǎn)化給摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能，所以重力勢能的減小量會大于動能的增加量。故選A。答案(1)ABD(2)丙實驗中要讓重錘靠近打點計時器，可以在紙帶上記錄足夠多的點(實驗中手提著紙帶上端并保持紙帶豎直，可以減少紙帶與限位孔間的摩擦阻力)(3)A8