實驗六驗證機械能守恒定律 實驗準備 實驗原理 重力勢能 動能 在只有重力做功的自由落體運動中 物體的 和 互相轉(zhuǎn)化 但總的機械能守恒 若物體某時刻速度為 故只需借助打點計時器 通過紙帶測出重物某時刻的 和該時刻的 即可驗證機械能 是否守恒 下落高度h 瞬時速度v 實驗器材鐵架臺 帶鐵夾 打點計時器 重錘 帶紙帶夾子 紙帶幾條 復寫紙片 導線 刻度尺 學生電源 圖S6 1 實驗過程 實驗步驟 打點計時器 學生電源 1 按如圖S6 2所示把打點計時器安裝在鐵架臺上 用導線把 與 連接好 圖S6 2 2 把紙帶的一端用夾子固定在重錘上 另一端穿過打點計時器 用手豎直提起紙帶使重錘停靠在 附近 限位孔 打點計時器 3 先接通電源 后釋放重錘并帶著紙帶自由下落 4 重復幾次 得到3 5條打好點的紙帶 5 在打好點的紙帶中挑選點跡清晰的一條 在起點標上O 以后各點依次標上1 2 3 4 用刻度尺測出對應下落高度h1 h2 h3 h4 7 計算各點對應的重力勢能的減少量 和動能 增加量 并進行比較 mghn 實驗結(jié)論做自由落體運動的物體機械能守恒或僅在重力作用下物體機械能守恒 基礎檢測 1 實驗時 發(fā)現(xiàn)重錘減少的重力勢能總是大于重錘增加的 動能 造成這種現(xiàn)象的主要原因是 A 選用的重錘質(zhì)量過大B 選用的重錘質(zhì)量過小C 空氣對重錘的阻力和打點計時器對紙帶的阻力影響過大D 實驗操作不細致 實驗數(shù)據(jù)測量不準確答案 C 2 多選 利用打點計時器所得的紙帶如圖S6 3所示 A B C 是計數(shù)點 相鄰計數(shù)點對應的時間間隔是T 對應的距離依次是s1 s2 s3 下列計算打下D點時的瞬時速度表達式 正 確的有 圖S6 3 解析 在勻變速直線運動中 中間時刻的瞬時速度等于這段時間內(nèi)的平均速度 D點既是CE的中間時刻 也是BF的中間時刻 故A D選項正確 答案 AD 考點1 實驗原理和操作 重點歸納1 實驗中打點計時器的安裝 兩紙帶限位孔必須在同一豎直線上 以減小摩擦阻力 2 實驗時 必須先接通電源 讓打點計時器工作正常后再釋放紙帶 讓重錘下落 3 打點計時器必須接低壓交流電源 4 重錘的選擇應是質(zhì)量較大 從而使重力遠大于下落過程中所受的阻力 實現(xiàn)減小實驗誤差的目的 5 選用紙帶時盡量挑選第1 2點間距離接近2mm的紙帶 6 測量下落高度時 都必須從起始點算起 只進行一次零刻度對齊 讀出各點高度 減小測量的相對誤差 選取的各個計數(shù)點要離起始點較遠 但紙帶也不宜過長 有效長度可在60 80cm內(nèi) 質(zhì)量 典例剖析 例1 關于 驗證機械能守恒定律 的實驗 下面列出一 些實驗步驟 A 用天平稱出重物和夾子的質(zhì)量B 將重物系在夾子上 C 將紙帶穿過打點計時器 上端用手提著 下端夾在系有重物的夾子上 再把紙帶向上拉 讓夾子靜止在靠近打點計時器處 D 把打點計時器接在學生電源的交流輸出端 把輸出電壓 調(diào)至6V 電源暫不接通 E 把打點計時器用鐵夾固定到放在桌邊的鐵架臺上 使兩 個限位孔在同一豎直線上 F 在紙帶上選取幾個點 進行測量并記錄數(shù)據(jù)G 用秒表測出重物下落的時間 H 接通電源 待打點計時器工作穩(wěn)定后釋放紙帶I 切斷電源 J 更換紙帶 重新進行兩次實驗K 在三條紙帶中選出較好的一條 L 進行計算 得出結(jié)論 完成實驗報告M 拆下導線 整理器材 對于以上的實驗步驟 不必要的有 則正確步驟的合理順 序是 填寫代表字母 思維點撥 熟悉實驗的操作步驟及每一步操作的作用 可知 質(zhì)量m可以約去 故可不用測量質(zhì)量 打點計時器本來就是計時儀器 故不用秒表計時 答案 AGEDBCHIJKFLM 備考策略 高考中也經(jīng)常出現(xiàn)對該實驗的基本原理和步驟的考查 熟悉本實驗的原理和操作步驟是解題的關鍵 這里要注意的是 實驗中不能將物體下落的加速度當做本地重力加速度 考點練透 1 2016年湖北龍泉中學 宜昌一中聯(lián)考 如圖S6 4所示為驗證機械能守恒定律的實驗裝置示意圖 現(xiàn)有的器材為 帶鐵夾的鐵架臺 打點計時器 紙帶 帶鐵夾的重錘 天平 回答下列問題 圖S6 4 1 為完成此實驗 除了所給的器材 還需要的器材是 A 螺旋測微器B 秒表 C 多用電表D 交流電源 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 選取紙帶上連續(xù)的五個點A B C D E 測出各點之間的距離如圖S6 5所示 使用交流電的頻率為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S6 5 答案 1 D 2 2015年廣西南寧模擬 用如圖S6 6甲所示的裝置 驗證機械能守恒定律 甲 乙 圖S6 6 1 下列物理量需要測量的是 通過計算得到的是 兩空均填寫代號 A 重錘質(zhì)量 B 重力加速度 C 重錘下落的高度 D 與下落高度對應的重錘的瞬時速度 2 設重錘質(zhì)量為m 打點計時器的打點周期為T 重力加速度為g 圖乙是實驗得到的一條紙帶 A B C D E為相鄰的連續(xù)點 根據(jù)測得的s1 s2 s3 s4寫出重錘由B點到D點勢能減少量的表達式 動能增加量的表達式 解析 1 實驗中需要直接測量的是重錘下落的高度 通過計算得到的是與下落高度相對應的重錘的瞬時速度 2 重錘重力勢能的減少量為mg s3 s1 紙帶數(shù)據(jù)的處理和誤差分析 考點2 重點歸納 5 因重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻力 如空氣阻力 打點計時器摩擦力 做功 故動能的增加量 Ek稍小于重力勢能的減少量 Ep 即 Ek Ep 從而產(chǎn)生誤差 改進的辦法是調(diào)整器材的安裝 盡可能地減小阻力 典例剖析 例2 2016年重慶第一中學月考 1 關于 驗證機械能守 恒定律 的實驗中 以下說法中正確的是 A 實驗時需要稱出重物的質(zhì)量 B 實驗中摩擦是不可避免的 因此紙帶越短越好 因為紙 帶越短 克服摩擦做的功就少 誤差就小 C 紙帶上打下的第1 2點間距超過2mm 則無論怎樣處 理數(shù)據(jù) 實驗誤差都會很大 D 實驗處理數(shù)據(jù)時 可直接利用打下的實際點跡 而不必 采用 計數(shù)點 的方法 2 若正確地操作完成實驗 正確地選出紙帶進行測量 量得連續(xù)三點A B C到第一個點O的距離如圖S6 7所示 相鄰計數(shù)點時間間隔為0 02s 當?shù)刂亓铀俣鹊闹禐? 8m s2 那么 計算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字 圖S6 7 紙帶的 填 左 或 右 端與重物相連 打下計數(shù)點B時 重物的速度 m s 在從起點O到打下計數(shù)點B的過程中 測得重物重力勢能的減少量略大于動能的增加量 這是因為 解析 1 實驗時動能的增加量與重力勢能的減小量 均含有質(zhì)量 因此不需稱出重物的質(zhì)量 故A錯誤 實驗中摩擦是不可避免的 因此紙帶短點好 因為紙帶越短 克服摩擦力做的功就越少 但要通過測量長度來求出變化的高度與瞬時速度 因此太短導致誤差就越大 故B錯誤 若紙帶上第1 2兩點 紙帶時 可以直接利用打點計時器打出的實際點跡 而不必采用 計數(shù)點 的方法 若采用計數(shù)點 是使測量長度變長 從而減小測量長度的誤差 故D正確 故選D 2 重物在開始下落時速度較慢 在紙帶上打的點較密 越往后 物體下落得越快 紙帶上的點越稀 所以紙帶上靠近重物的一端的點較密 因此紙帶的左端與重物相連 根據(jù)勻變速直線運動中間時刻的速度等于該過程的平均速度有 Ep Ek說明有部分重力勢能轉(zhuǎn)變成了其他形式的能 是因為下落過程中存在摩擦阻力和空氣阻力的影響 答案 1 D 2 左 0 98 下落過程中存在摩擦阻 力和空氣阻力的影響 考點練透 3 2015年廣東韶關十校聯(lián)考 在用打點計時器驗證機械能守恒定律的實驗中 使質(zhì)量為m 1 00kg的重物自由下落 打點計時器在紙帶上打出一系列的點 選取一條符合實驗要求的紙帶如圖S6 8所示 O為第一個點 A B C為從合適位置開始選取連續(xù)點中的三個點 已知打點計時器每隔0 02s打一個點 當?shù)氐闹亓铀俣葹間 9 80m s2 那么 圖S6 8 在該實驗中 下列各項描述正確的是 多選題 A 必須選用第1 2兩點相距約2mm的紙帶 才能完成該 驗證實驗 B 需要測量的數(shù)據(jù)是紙帶上起點O到各個計數(shù)點的高度C 必須要測量重錘的質(zhì)量D 必須測量重錘下落的時間 E 需要把打點計時器兩限位孔盡量調(diào)到同一豎直線上F 利用紙帶測算出O點到各計數(shù)點重力勢能的減少 總是 略大于測算出的動能的增加 根據(jù)圖上所得的數(shù)據(jù) 應取圖中O點到 點來 驗證機械能守恒定律 從O點到 問中所取的點 重物重力勢能的減少量 Ep J 動能增加量 Ek J 結(jié)果取三位有效數(shù)字 若測出紙帶上所有各點到O點之間的距離 根據(jù)紙帶算 軸畫出的圖象是下圖中的 D A答案 BEF B B 1 881 84 C A 4 2015年山東鄒城聯(lián)考 驗證機械能守恒定律 的實驗 裝置如圖S6 9所示采用重物自由下落的方法 圖S6 9 1 已知打點計時器所用電源的頻率為50Hz 當?shù)氐闹亓铀俣萭 9 80m s2 所用重物的質(zhì)量為200g 實驗中選取一條符合實驗要求的紙帶如圖S6 10所示 O為紙帶下落的起始點 A B C為紙帶上選取的三個連續(xù)點 學 根據(jù)以上數(shù)據(jù) 可知重物由O點運動到B點時動能的增加量等于 J 重力勢能減少量等于 J 計算結(jié)果均保留三位有效數(shù)字 圖S6 10 2 實驗中 發(fā)現(xiàn)重物減少的勢能總是大于重物增加的動能 造成這種現(xiàn)象的主要原因是 答案 1 乙 0 369 0 376 2 克服空氣對重物和打點計 時器對紙帶的阻力做功