1、第五节 验证机械能守恒定律一、实验目的通过研究物体运动过程中的_和_变化，验证械能守恒定律二、实验原理1针对只有重力做功的情形，研究其运动过程，比较物体_变化量与_变化量，若满足EpEk.则说明机械能守恒动能 势能重力势能 动能2比较运动过程中两个状态的机械能若满足Ek1Ep1Ek2Ep2，也说明机械能守恒3两种设计方案：(1)方案一：利用打点计时器记录自由下落物体的运动信息，通过打点纸带确定物体下落的高度及此时对应的速度，确定减少的重力势能和增加的动能探寻两者之间的关系，验证机械能是否守恒(2)方案二：如右图所示，用单摆和DIS装置验证机械能守恒，将DIS装置的光电门放在A、B、C、D各点，
2、测出各点的速度测量出各点对D的高度运用所得数据验证机械能是否守恒三、实验器材方案一：打点计时器及电源、铁架台(含铁夹)、纸带_、刻度尺、夹子方案二：DISLab实验仪一套，铁架台、_、细线、铅笔、贴有方格纸的木板、刻度尺钩码摆球方案一“落体法”验证机械能守恒一、实验步骤1如图把打点计时器安装在铁架台上，并将打点计时器接到电源上2把纸带的一端和钩码用夹子固定好，另一端穿过计时器限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近3先接通电源，然后松手让重物带着纸带自由下落4重复几次，得到35条打好点的纸带5在打好点的纸带中挑选一条点迹清晰的纸带，在起始点标上O，以后的点依次标上1、2、3，用刻度尺
3、测出对应下落的高度h1、h2、h3，并计算相应的重力势能减少量mghn.7比较与mghn是否在误差范围内相等二、数据处理1代人数据计算比较：2作v2h图象，分析曲线：从静止开始下落，如满足机械能守恒，则mghmv2，所以v22gh，其中2g为常数，故v2h图线应为过原点的倾斜直线，斜率的一半为当地重力加速度，所得图象如右图三、误差分析1本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量mv2稍小于重力势能的减少量mgh，这是系统误差2本实验的另一个误差来源是长度的测量，属偶然误差3另外交流电的频率发生波动，也会给实验带来偶然误差四、注意事项：1应尽可
4、能控制实验条件，使装置满足机械能守恒的条件，这需要尽量减小各种阻力，采取的措施有：(1)安装时使限位孔与纸带处于同一竖直平面内(2)应选用质量和密度较大的重物2使用打点计时器时，应先接通电源，再松开纸带3选取纸带的原则是：(1)点迹清晰，(2)所打点间距适中(可舍去开始打点密集的部分)4由于不需要计算动能和重力势能的具体数值，因而不需要测量物体的质量方案二 用DIS装置验证机械能守恒实验过程1在铁架台上端用铁架悬挂一个摆球(如图)2在方格纸上确定45个点作为测量点3分别安装光电传感器，并使之与数据采集器相连接4让小球从某一高度向下摆动分别测定摆球在摆动过程中任意时刻的动能和重力势能5研究每一个
5、测量点上机械能的总量有什么特点.注意事项：1小球运动时，应使其轨迹在一竖直面内，避免做圆锥摆运动2调整带方格纸的木板，应使其竖线在竖直方向上3为准确测定小球在各位置的瞬时速度，可在小球下部安置一块挡光片，并确保挡光片在竖直面内 (1)为进行“验证机械能守恒定律”的实验，有下列器材可供选择：A铁架台 B打点计时器 C复写纸 D纸带 E低压交流电源 F天平 G秒表 H导线 I电键 J米尺上述器材不必要的是_(只填字母代号)，缺少的器材是_(2)实验中下列物理量中需要直接测量的量有_，通过计算可得到的量有_(填字母序号)A重锤质量B重力加速度C重锤下落的高度D与下落高度相对应的重锤的瞬时速度(3)质
6、量为m1 kg的重锤自由下落，在纸带上打出一系列的点如图所示，O为第一个点，A、B、C为相邻的点，相邻计数点的时间间隔为0.02 s，长度单位是cm，取g9.8 m/s2，求：a.打点计时器打下计数点B时，物体的速度vB_m/s；(保留两位有效数字)b从点O到打下计数点B的过程中，物体重力势能的减少量Ep_J，动能的增加量Ek_J(保留两位有效数字)重力势能减小量EpmghOB19.84.86102 J0.48 J.答案：(1)F、G 重锤(2)CD(3)0.970.480.47变式训练1在验证机械能守恒定律的实验中：(1)从下列器材中选出实验所必需的，其编号为_A打点计时器(包括纸带)；B.
7、重物；C.天平；D.毫米刻度尺；E.秒表；F.运动小车(2)打点计时器的安装放置要求为_；开始打点计时的时候，应先_，然后_A、B、D底板要竖直给打点计时器通电 释放重物(3)实验中产生系统误差的原因主要是_，使重物获得的动能_重物减少的重力势能为减小误差，悬挂在纸带下的重物应选择_(4)如果以v2/2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出的图线是_，该线的斜率等于_重力加速度g纸带通过打点计时器时有摩擦阻力小于质量和密度大一些的一条通过坐标原点的倾斜直线在“验证机械能守恒定律”的实验中，所用电源的频率为50 Hz，某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量时各计数点对应刻度尺上的读数如图所示(图
8、中O点是打点计时器打出的第一个点，A、B、C、D、E分别是每打两个点取出的计数点)根据纸带计算：(1)重锤下落的加速度；(2)若重锤的质量为m，则重锤从开始下落到打B点时，减少的重力势能是多少？(3)重锤下落到打B点时增加的动能有多大？(4)从(2)(3)数据可得出什么结论？产生误差的主要原因是什么？解析：在验证机械能守恒定律的实验中，误差中的一部分来自于空气阻力及纸带和打点计时器限位孔之间的摩擦，故重力势能的减少应等于动能的增加量和克服阻力做功之和所以，此题在计算结论上肯定是重力势能减少的多，动能增加的少，其差值除偶然误差外，就是上述原因造成的(1)根据逐差法求加速度(0.1010.116
9、50.085 50.07)/4(0.04)2m/s29.688 m/s2即重锤下落的加速度为9.688 m/s2.(2)重锤从开始下落到打B点时减少的重力势能为：Ep减mghmg 9.80.195 0m J1.911m J.(3)重锤下落到打B点时的速度为vB(sABsBC)/2T(0.070.085 5)/(20.04)m/s1.944 m/s，则物体从开始下落到打B点增加的动能为Ep增mvB2/2(1.944)2m/21.89m J.(4)从(2)(3)可以得出，在实验误差允许范围内，重锤重力势能的减少等于其动能的增加，机械能守恒重锤减少的重力势能略大于其增加的动能的原因是：重锤在下落时要
10、受到阻力的作用(打点计时器对纸带摩擦、空气阻力等)，重锤克服阻力做功要损失一部分机械能答案：(1)9.688 m/s2(2)1.911m J(3)1.89m J(4)从(2)(3)可以得出，在实验误差允许范围内，重锤重力势能的减少等于其动能的增加，机械能守恒重锤减少的重力势能略大于其增加的动能的原因是：重锤在下落时要受到阻力的作用(打点计时器对纸带摩擦、空气阻力等)，重锤克服阻力做功要损失一部分机械能变式训练2某同学做“验证机械能守恒定律”的实验时不慎将一条选择好的纸带的前面一部分破坏了，测出剩下的一段纸带上的各个点间的距离如下图所示已知打点计时器工作频率为50 Hz，重力加速度g取9.8 m
11、/s2.(1)利用这段纸带说明重锤通过2、5两点时机械能守恒；(2)分别说明为什么得到的结果是重力势能减少量Ep稍大于重锤动能的增加量Ek.答案：(1)因为Epmgh1.047m J，在实验误差允许范围内，EpEk，机械能守恒(2)由于存在空间阻力和纸带与打点计时器间的摩擦力，减少的重力势能一小部分由于摩擦转化为其他能量，所以，增加的动能略小于减少的重力势能基础达标1在利用重锤自由下落“验证机械能守恒定律”的实验中，产生误差的主要原因是()A重锤下落的实际高度大于测量值B重锤下落的实际高度小于测量值C重锤实际末速度v大于gt(g为重力加速度，t为下落时间)D重锤实际末速度v小于gtD 2在“验
12、证机械能守恒定律”的实验中，由于打点计时器两个限位孔不在同一竖直线上，使纸带通过时受到较大阻力，这样的结果会有()D以上都有可能A3在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列物理量中需要用工具直接测量的有()A重锤的质量B重力加速度C重锤下落的高度D与重锤下落高度对应的重锤的瞬时速度C4在验证机械能守恒定律的实验中，下列说法正确的是()A需要天平测定重锤质量B实验时要先松开纸带让重锤下落，然后接通电源让打点计时器工作C应该选用第1、2点之间间距约等于2 mm的纸带进行分析D实验结果总是动能的增加量略大于重力势能的减少量C5利用重锤自由下落验证机械能守恒定律实验时，下列说法不正确的是()A选用重锤时
13、，重的比轻的好B选用重锤时，体积小的比体积大的好C选用重锤后要测出锤的质量D重锤所受重力要远大于它所受的空气阻力和打点计时器对纸带的阻力解析：实验过程中，重锤下落的过程中会受到空气阻力和纸带与打点计时器之间的摩擦阻力作用，要减小实验误差，就必然减小这些阻力所以重锤要选用体积小、重一些的，一是减小阻力，二是使阻力相对于重力较小，可以忽略选项ABD正确由于动能和重力势能的表达式中都有质量m，因此在比较始末位置的机械能时不需要测出重锤的质量的大小，所以选项C错误答案：C6用电磁打点计时器做“验证机械能守恒定律”的实验，有如下可供选择的实验器材：铁架台、打点计时器、复写纸、纸带、低压直流电源、天平、秒
14、表、导线、开关，其中不必要的器材是_，缺少的器材是_低压直流电源、天平、秒表低压交流电源、重锤、刻度尺7(双选)下列关于“验证机械能守恒定律”实验的实验误差的说法，正确的是()A重物质量的称量不准会造成较大误差B重物质量选用得较大些，有利于减小误差C重物质量选用得较小些，有利于减小误差D先释放纸带后接通电源会造成较大误差解析：该实验不需要测量物体的质量，故A错；选用质量较大的重物有利于减小摩擦带来的误差，B对；应先接通电源，待打点稳定后再松开纸带，故D对答案：BD能力提升 8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以及与此相对应的下落距离h，以v2为纵轴，以h为横
15、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v2h图象应是图中的()解析：若满足机械能守恒应有 v2gh即v2与h成正比关系，C对答案：C9某位同学用落体法做“验证机械能守恒定律”的实验，下列操作步骤中错误的是()A把打点计时器固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源B将连有重锤的纸带穿过限位孔，将纸带和重锤提升到一定高度C先释放纸带，再接通电源D更换纸带，重复实验，根据记录处理数据解析：根据验证机械能守恒定律的实验要求，应先接通电源，让打点计时器工作稳定后，再释放纸带，故C选项是错误的，A、B、D均符合实验要求，故选C.答案：C10.如图为验证机械能守
16、恒定律的实验装置示意图现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平回答下列问题：(1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有_(填入正确选项前的字母)A米尺B秒表C012 V的直流电源D012 V的交流电源(2)实验中误差产生的原因有_.(写出两个原因)解析：(1)用A项米尺测量长度，用D项交流电源供打点计时器使用(2)纸带与打点计时器之间有摩擦；用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算势能变化时选取的始末两点距离过近；交流电频率不稳定答案：(1)A、D(2)见解析 11下图是某同学探究“动能与重力势能的转化和守恒”实验及打出的一条纸带的一部分()(1)已知打
17、点计时器的周期为0.02 s，当地的重力加速度为g9.8 m/s2，图中数字为各点距起点O的距离，设重锤为m0.1 kg，当打到B点时，重锤的重力势能减少了_J，动能增加了_J.(保留三位有效数字)(2)若当地的重力加速度未知，则可利用此实验来测量当地的重力加速度，请写出测量值与当地重力加速度的值总有差异的一个原因：_.(2)打点时纸带与打点计时器间存在摩擦阻力答案：(1)0.1910.190(2)见解析12在利用电火花打点计时器“验证机械能守恒定律”实验中，下面给出的一些实验步骤()a天平称出重锤及夹子的质量b将纸带固定在重锤的夹子上c将纸带穿过计时器的限位孔，上端用手提着，再把纸带向上拉，让重锤静止靠近打点计时器处.d把打点计时器接在220 V交流电源上，但暂不接通e把打点计时器固定在放在桌边的铁架台上，使两个限位孔在同一竖直线上f在纸带上选取几个点，进行测量和记录数据g用秒表测出重物下落的时间h接通电源，待计时器稳定后再松开纸带i更换纸带，重新进行实验两次j在三条纸带中选取较好的一条k进行计算，得出结论(1)以上步骤中，不必要的步骤是()AadBghCagDij(2)正确的步骤顺序应是()Aedbchijfk BhkebcjfdCjdfcehkb DfbedcjhkCA
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