一、實驗目的一、實驗目的 驗證機械能守恒定律。驗證機械能守恒定律。 二、實驗原理二、實驗原理超鏈接超鏈接圖實圖實61 四、實驗步驟四、實驗步驟 (1)安裝置：按圖實安裝置：按圖實62所示將檢查、調(diào)整所示將檢查、調(diào)整好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上，接好電路。好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上，接好電路。 (2)打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手物上，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地方。先接通電源，提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地方。先接通電源，后松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落。后松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落。 更換紙帶重復做更換紙帶重復做35次實驗。次實驗。 三、實驗器材三、實驗器材 鐵架臺鐵架臺(含鐵夾含鐵夾)，打點計時器，學生電源，紙帶，復寫紙，打點計時器，學生電源，紙帶，復寫紙，導線，毫米刻度尺，重物導線，毫米刻度尺，重物(帶紙帶夾帶紙帶夾)。圖實圖實62(3)選紙帶：分兩種情況說明選紙帶：分兩種情況說明 五、數(shù)據(jù)處理五、數(shù)據(jù)處理 1測量計算測量計算2驗證守恒驗證守恒 六、注意事項六、注意事項 (1)打點計時器要穩(wěn)定地固定在鐵架臺上，打點計打點計時器要穩(wěn)定地固定在鐵架臺上，打點計時器平面與紙帶限位孔調(diào)整到豎直方向，以減小摩擦時器平面與紙帶限位孔調(diào)整到豎直方向，以減小摩擦阻力。阻力。 (2)重物要選用密度大、體積小的物體，這樣可以減重物要選用密度大、體積小的物體，這樣可以減小空氣阻力的影響，從而減小實驗誤差。小空氣阻力的影響，從而減小實驗誤差。 (3)實驗中，需保持提紙帶的手不動，且保證紙帶豎實驗中，需保持提紙帶的手不動，且保證紙帶豎直，待接通電源，打點計時器工作穩(wěn)定后，再松開紙帶。直，待接通電源，打點計時器工作穩(wěn)定后，再松開紙帶。 七、誤差分析七、誤差分析 (1)本實驗中因重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻本實驗中因重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻力力(空氣阻力、打點計時器阻力空氣阻力、打點計時器阻力)做功，故動能的增加量做功，故動能的增加量Ek稍稍小于重力勢能的減少量小于重力勢能的減少量Ep，即，即EkEp，這屬于系統(tǒng)誤差。，這屬于系統(tǒng)誤差。改進的辦法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減少阻力。改進的辦法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減少阻力。 (2)本實驗的另一個誤差來源于長度的測量，屬偶然誤本實驗的另一個誤差來源于長度的測量，屬偶然誤差。減小誤差的辦法是測下落距離時都從差。減小誤差的辦法是測下落距離時都從0點量起，一次將點量起，一次將各打點對應的下落高度測量完?；蛘卟捎枚啻螠y量取平均值各打點對應的下落高度測量完?；蛘卟捎枚啻螠y量取平均值來減小誤差。來減小誤差。實驗原理與操作實驗原理與操作 例例1在利用自由落體運動驗證機械能守恒定律的在利用自由落體運動驗證機械能守恒定律的實驗中，電源的頻率為實驗中，電源的頻率為50 Hz，依次打出的點為，依次打出的點為0,1,2,3,4n。則：。則：圖實圖實63 (1)如用第如用第2點到第點到第6點之間的紙帶來驗證，必須直接點之間的紙帶來驗證，必須直接測量的物理量為測量的物理量為_、_、_，必須，必須計算出的物理量為計算出的物理量為_、_，驗證的表達式，驗證的表達式為為_。 (2)下列實驗步驟操作合理的排列順序是下列實驗步驟操作合理的排列順序是_(填填寫步驟前面的字母寫步驟前面的字母)。 A將打點計時器豎直安裝在鐵架臺上將打點計時器豎直安裝在鐵架臺上 B接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落(2)實驗操作順序為實驗操作順序為ADBCEF。題組演練題組演練1在在“驗證機械能守恒定律驗證機械能守恒定律”的實驗中，要驗證的是重的實驗中，要驗證的是重物重力勢能的減少等于它動能的增加，以下步驟僅是實物重力勢能的減少等于它動能的增加，以下步驟僅是實驗中的一部分，在這些步驟中多余的或錯誤的有驗中的一部分，在這些步驟中多余的或錯誤的有_。A用天平稱出重物的質(zhì)量用天平稱出重物的質(zhì)量B把打點計時器固定到鐵架臺上，并用導線把它和把打點計時器固定到鐵架臺上，并用導線把它和低壓交流電源連接起來低壓交流電源連接起來C把紙帶的一端固定到重物上，另一端穿過打點計把紙帶的一端固定到重物上，另一端穿過打點計時器的限位孔，把重物提升到一定高度時器的限位孔，把重物提升到一定高度D接通電源，待打點穩(wěn)定后釋放紙帶接通電源，待打點穩(wěn)定后釋放紙帶E用秒表測出重物下落的時間用秒表測出重物下落的時間答案：答案：AE2(2012湖北百校聯(lián)考湖北百校聯(lián)考)“驗證機械能守恒定律驗證機械能守恒定律”的實驗裝的實驗裝置可以采用圖實置可以采用圖實64所示的甲或乙方案來進行。所示的甲或乙方案來進行。圖實圖實64(1)比較這兩種方案，比較這兩種方案，_(填填“甲甲”或或“乙乙”)方案方案好些。好些。(2)該同學開始實驗時情形如圖丙所示，接通電源釋放紙該同學開始實驗時情形如圖丙所示，接通電源釋放紙帶。請指出該同學在實驗操作中存在的兩處明顯錯誤或帶。請指出該同學在實驗操作中存在的兩處明顯錯誤或不當?shù)牡胤剑翰划數(shù)牡胤剑篲；_。(3)該實驗中得到一條紙帶，且測得每兩個計數(shù)點間的距該實驗中得到一條紙帶，且測得每兩個計數(shù)點間的距離如圖丁中所示。已知相鄰兩個計數(shù)點之間的時間間隔離如圖丁中所示。已知相鄰兩個計數(shù)點之間的時間間隔T0.1 s。則物體運動的加速度。則物體運動的加速度a_；該紙帶是采；該紙帶是采用用_(填填“甲甲”或或“乙乙”)實驗方案得到的。實驗方案得到的。解析：由解析：由xaT2，利用逐差法得到物體運動的加速度，利用逐差法得到物體運動的加速度a4.8 m/s2。若用自由落體實驗測得物體運動的加速度。若用自由落體實驗測得物體運動的加速度a應該接近應該接近10 m/s2，所以該紙帶是采用，所以該紙帶是采用“乙乙”實驗方案得實驗方案得到的。到的。答案：答案：(1)甲甲(2)打點計時器接了直流電源重物離打點計時器接了直流電源重物離打點計時器太遠打點計時器太遠(3)4.8 m/s2乙乙數(shù)據(jù)處理與誤差分析數(shù)據(jù)處理與誤差分析 例例2在在“驗證機械能守恒定律驗證機械能守恒定律”的實驗中，已的實驗中，已知電磁打點計時器所用的電源的頻率為知電磁打點計時器所用的電源的頻率為50 Hz，查得當，查得當?shù)氐闹亓铀俣鹊氐闹亓铀俣萭9.80 m/s2，測得所用的重物質(zhì)量為，測得所用的重物質(zhì)量為1.00 kg。實驗中得到一條點跡清晰的紙帶。實驗中得到一條點跡清晰的紙帶(如圖實如圖實65所示所示)，把第一個點記為，把第一個點記為O，另選連續(xù)的四個點，另選連續(xù)的四個點A、B、C、D作為測量的點，經(jīng)測量知道作為測量的點，經(jīng)測量知道A、B、C、D各點到各點到O點的點的距離分別為距離分別為62.99 cm、70.18 cm、77.76 cm、85.73 cm。圖實圖實65(1)根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可知重物由根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可知重物由O點運動到點運動到C點，重力勢點，重力勢能的減少量等于能的減少量等于_J，動能的增加量等于，動能的增加量等于_J(取三位有效數(shù)字取三位有效數(shù)字)。(2)根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可知重物下落時的實際加速度根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可知重物下落時的實際加速度a_m/s2，a_g(填填“大于大于”或或“小于小于”)，原因是原因是_。 (2)根據(jù)根據(jù)CDAB2aT2，CDODOC，ABOBOA，代入數(shù)據(jù)得，代入數(shù)據(jù)得a9.75 m/s2g。 實驗中重物受空氣阻力，紙帶受限位孔或打點計實驗中重物受空氣阻力，紙帶受限位孔或打點計時器振針的阻力作用，導致時器振針的阻力作用，導致a”“”或或“”)，造成這種結，造成這種結果的主要原因是果的主要原因是_。(3)由于存在空氣阻力的影響，所以由于存在空氣阻力的影響，所以EpEk。答案：答案：(1)3.48(2)1.241.28(3)”“”或或“”)時，說明氣墊導軌已經(jīng)水平。時，說明氣墊導軌已經(jīng)水平。 (2)用螺旋測微器測遮光條寬度用螺旋測微器測遮光條寬度d，測量結果如圖丙，測量結果如圖丙所示，則所示，則d_mm。 (3)滑塊滑塊P用細線跨過氣墊導軌左端的定滑輪與質(zhì)量為用細線跨過氣墊導軌左端的定滑輪與質(zhì)量為m的鉤碼的鉤碼Q相連，將滑塊相連，將滑塊P由圖甲所示位置釋放，通過計算由圖甲所示位置釋放，通過計算機得到的圖象如圖乙所示，若機得到的圖象如圖乙所示，若t1、t2和和d已知，要驗證滑已知，要驗證滑塊和鉤碼組成的系統(tǒng)機械能是否守恒，還應測出塊和鉤碼組成的系統(tǒng)機械能是否守恒，還應測出_和和_(寫出物理量的名稱及符號寫出物理量的名稱及符號)。 (4)若上述物理量間滿足關系式若上述物理量間滿足關系式_，則，則表明在上述過程中，滑塊和鉤碼組成的系統(tǒng)機械能守恒。表明在上述過程中，滑塊和鉤碼組成的系統(tǒng)機械能守恒。 解析解析(1)當當t1t2時，滑塊通過光電門時，滑塊通過光電門A、B的速度的速度相同，說明氣墊導軌已經(jīng)水平。相同，說明氣墊導軌已經(jīng)水平。 (2)d8 mm0.01 mm47.48.474 mm。答案答案(1)(2)8.474(在在8.4738.475之間均算對之間均算對)(3)滑塊質(zhì)量滑塊質(zhì)量M兩光電門間距離兩光電門間距離L 一、本題創(chuàng)新點分析一、本題創(chuàng)新點分析 1源于教材源于教材本例中驗證機械能守恒定律所使本例中驗證機械能守恒定律所使用的氣墊導軌、光電傳感器優(yōu)于課本實驗器材。用的氣墊導軌、光電傳感器優(yōu)于課本實驗器材。 2高于教材高于教材本例中將懸掛的鉤碼本例中將懸掛的鉤碼Q納入驗證納入驗證機械能守恒的系統(tǒng)，消除了系統(tǒng)誤差。機械能守恒的系統(tǒng)，消除了系統(tǒng)誤差。 二、本實驗還可以從以下方面進行改進創(chuàng)新二、本實驗還可以從以下方面進行改進創(chuàng)新 (一一)實驗器材的創(chuàng)新實驗器材的創(chuàng)新圖實圖實68 (二二)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 1本實驗中的打點計時器，不采用電磁打點計時器，而本實驗中的打點計時器，不采用電磁打點計時器，而采用電火花打點計時器，可以避免振針阻力的影響，減小實采用電火花打點計時器，可以避免振針阻力的影響，減小實驗的誤差。驗的誤差。 2用高頻閃光照相機對自由落體運動的小球拍照，可通用高頻閃光照相機對自由落體運動的小球拍照，可通過分析小球的閃光照片驗證機械能守恒，數(shù)據(jù)處理方法與處過分析小球的閃光照片驗證機械能守恒，數(shù)據(jù)處理方法與處理紙帶類似。理紙帶類似。 3利用光電門測小球下落速度的方法驗證機械能守恒，利用光電門測小球下落速度的方法驗證機械能守恒，可以減小因打點計時器限位孔及振針的阻力對實驗精確度的可以減小因打點計時器限位孔及振針的阻力對實驗精確度的影響。影響。題組演練題組演練5(2012九江模擬九江模擬)圖實圖實69甲是驗證機械能守恒定甲是驗證機械能守恒定律的實驗。小圓柱由一根不可伸長的輕繩拴住，輕律的實驗。小圓柱由一根不可伸長的輕繩拴住，輕繩另一端固定。將輕繩拉至水平后由靜止釋放。在繩另一端固定。將輕繩拉至水平后由靜止釋放。在最低點附近放置一組光電門，測出小圓柱運動到最最低點附近放置一組光電門，測出小圓柱運動到最低點的擋光時間低點的擋光時間t，再用游標卡尺測出小圓柱的直，再用游標卡尺測出小圓柱的直徑徑d，如圖乙所示，重力加速度為，如圖乙所示，重力加速度為g。則。則圖實圖實69(1)小圓柱的直徑小圓柱的直徑d_cm。(2)測出懸點到圓柱重心的距離測出懸點到圓柱重心的距離l，若等式，若等式gl_成成立，說明小圓柱下擺過程機械能守恒。立，說明小圓柱下擺過程機械能守恒。(3)若在懸點若在懸點O安裝一個拉力傳感器，測出繩子上的拉力安裝一個拉力傳感器，測出繩子上的拉力F，則要驗證小圓柱在最低點的向心力公式還需要測量的物則要驗證小圓柱在最低點的向心力公式還需要測量的物理量是理量是_(用文字和字母表示用文字和字母表示)，若等式若等式F_成立，則可驗證小圓柱在最低點的成立，則可驗證小圓柱在最低點的向心力公式。向心力公式。解析：解析：(1)小圓柱的直徑小圓柱的直徑d10 mm20.1 mm10.2 mm1.02 cm。圖實圖實610(1)滑塊的速度滑塊的速度v1、v2如何求出？滑塊通過如何求出？滑塊通過G1、G2時的高時的高度差度差h如何求出？如何求出？(2)若測得圖中若測得圖中L1 m，x0.5 m，H20 cm，m500 g，滑塊通過滑塊通過G1和和G2的時間分別為的時間分別為5102 s和和2102 s，當，當?shù)刂亓铀俣鹊刂亓铀俣萭9.80 m/s2，試判斷機械能是否守恒。，試判斷機械能是否守恒。答案：見解析答案：見解析