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實驗六驗證機械能守恒定律 實驗溯本求源 實驗熱點探究 課時鞏固訓練 教師備用習題 一 實驗目的驗證機械能守恒定律 二 實驗原理1 在只有重力做功的自由落體運動中 物體的重力勢能和動能互相轉(zhuǎn)化 但總的機械能 若質(zhì)量為m的物體做自由落體運動 下落高度為h時的速度為v 則重力勢能的減少量為 動能的增加量為 如果在實驗誤差允許的范圍內(nèi)重力勢能的減少量與相等 則驗證了機械能守恒定律 保持不變 mgh 動能的增加量 2 速度的測量 做勻變速直線運動的紙帶上某點的瞬時速度等于相鄰兩點間的 計算打第n個點瞬時速度的方法是 測出第n個點的相鄰前 后兩段相等時間T內(nèi)下落的距離xn和xn 1 由公式vn 計算 平均速度 三 實驗器材鐵架臺 含鐵夾 電源及導線 使用電火花計時器時用220V交流電源 紙帶 復寫紙片 重物 帶紙帶夾 實驗裝置如圖S6 1所示 四 實驗步驟1 器材安裝 如圖S6 1所示 將打點計時器固定在鐵架臺上 用導線將電磁打點計時器與低壓交流電源相連 此時電源開關應為狀態(tài) 圖S6 1 電磁打點計時器 低壓交流 毫米刻度尺 斷開 2 打紙帶 把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 用手豎直提起紙帶 使重物停靠在打點計時器下方附近 應先 待打點穩(wěn)定后再松開紙帶 讓重物自由下落 打點計時器就在紙帶上打出一系列的點 取下紙帶 換上新的紙帶重打幾條 3 5條 紙帶 3 選紙帶 用起始點初速度為零驗證 選點跡清晰 且1 2兩點間距離小于或接近2mm的紙帶進行測量 若1 2兩點間的距離大于2mm 這是由于先釋放紙帶 后接通電源造成的 則第1個點對應的瞬時速度 選填 不等于 或 等于 零 4 數(shù)據(jù)測量5 驗證結論 在的范圍內(nèi) 重物自由下落過程中機械能守恒 接通電源 誤差允許 不等于 熱點一實驗原理和實驗操作 例1某同學用如圖S6 2甲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 可以提供輸出電壓為6V的交變電流和直流電 交變電流的頻率為50Hz 重錘從高處由靜止開始下落 打點計時器在紙帶上打出一系列的點 對紙帶上的點測量并分析 即可驗證機械能守恒定律 1 他進行了下面幾個操作步驟 A 按照圖示的裝置安裝器材 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)測量的結果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于其增加的動能 其中沒有必要進行的步驟是 操作不當?shù)牟襟E是 均填步驟前的選項字母 圖S6 2 圖S6 3 變式題某學習小組用如圖S6 4所示的實驗裝置驗證 機械能守恒定律 他們在氣墊導軌上安裝了一個光電門B 細線一端連在滑塊 帶遮光條 上 另一端繞過氣墊導軌左端的定滑輪與鉤碼相連 每次滑塊都從A處由靜止釋放 1 下列實驗要求中不必要的一項是 填選項前的字母 A 應將氣墊導軌調(diào)至水平B 應使細線與氣墊導軌平行C 應使A位置與光電門B間的距離適當大些D 應使鉤碼質(zhì)量遠小于滑塊和遮光條的總質(zhì)量 圖S6 4 2 用螺旋測微器測量遮光條寬度d 測量結果如圖S6 5所示 則d mm 3 實驗時 已知滑塊 帶遮光條 的質(zhì)量為M 鉤碼質(zhì)量為m A B間的距離為L 遮光條的寬度為d 遮光條通過光電門的時間為t 重力加速度為g 若滿足關系式 用M m g L d t表示 即可驗證從A到B過程中系統(tǒng)機械能守恒 圖S6 5 要點總結 1 安裝打點計時器時要豎直架穩(wěn) 使兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)以減小摩擦阻力 2 重物應選用質(zhì)量大 體積小 密度大的材料 3 應先接通電源 讓打點計時器正常工作后 再松開紙帶讓重物下落 4 紙帶長度應選用60cm左右為宜 應選用點跡清晰的紙帶進行測量 熱點二數(shù)據(jù)處理與誤差分析 例2某同學安裝如圖S6 6所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律 如圖S6 7所示是該實驗得到的一條點跡清晰的紙帶 現(xiàn)要取A B兩點來驗證 已知電火花計時器每隔0 02s打一個點 圖S6 6圖S6 7 請回答下列問題 1 電火花計時器的工作電壓是V 2 若x2 4 80cm 則在紙帶上打下計數(shù)點B時的速度vB m s 結果保留三位有效數(shù)字 3 若x1數(shù)據(jù)也已測出 則實驗還需測出的物理量為 4 經(jīng)過測量計算后 某同學畫出了如圖S6 8所示的E h圖線 則圖中表示重物動能隨重物高度變化的曲線為 選填 圖線A 或 圖線B 圖S6 8 答案 1 220 2 1 20 3 A B之間的距離 或hAB 4 圖線B 變式題用如圖S6 9所示實驗裝置驗證物塊1 2組成的系統(tǒng)機械能守恒 物塊2從高處由靜止開始下落 物塊1上拖著的紙帶打出一系列的點 對紙帶上的點進行測量 即可驗證機械能守恒定律 圖S6 10給出的是實驗中獲取的一條紙帶 其中0是打下的第一個點 相鄰兩個計數(shù)點間還有4個打點 圖中未標出 交流電的頻率為50Hz 計數(shù)點間的距離如圖所示 已知物塊1 2的質(zhì)量分別為m1 50g m2 150g g取9 8m s2 圖S6 9 圖S6 10 1 在紙帶上打下計數(shù)點5時的速度v m s 2 在打點0 5過程中系統(tǒng)動能的增加量 Ek J 系統(tǒng)勢能的減少量 Ep J 可知在實驗誤差允許的范圍內(nèi) 系統(tǒng)的機械能 答案 1 2 4 2 0 5760 588守恒 要點總結 熱點三同類實驗拓展與創(chuàng)新 例3為了驗證機械能守恒定律 某學生想到用氣墊導軌和光電門及質(zhì)量為m的小車來進行實驗 如圖S6 11所示 他將長為L 原來已調(diào)至水平的氣墊導軌的左端墊高H 在導軌上的兩點處分別安裝光電門A和B 然后將小車從導軌上端釋放 光電門自動記錄小車經(jīng)過上 下光電門時車上擋光片的擋光時間為t1 t2 用游標卡尺測得擋光片寬度為d 1 要驗證小車在運動過程中機械能守恒 還必須測出 2 寫出本實驗驗證機械能守恒定律的表達式 用上面測量出的物理量符號表示 圖S6 11 3 實驗所用滑塊的質(zhì)量m 600g 其他數(shù)據(jù)分別為L 1 5m H 10cm l 50cm 則實驗中重力勢能的減少量為J g取10m s2 4 如果氣墊導軌左端墊高H的值可調(diào) 此實驗還可以探究在質(zhì)量不變時 物體的加速度與合力的關系 回答下列問題 小車的加速度為a 小車所受合力為F 用上面測量出的物理量符號表示 要改變小車受到的合力 只需改變 作加速度 合力圖像時 橫軸可用代替 變式題某同學設計出如圖S6 12所示 驗證機械能守恒定律 的實驗裝置 小球用輕質(zhì)細繩懸掛于O點 在O點正下方固定一刀片 并在水平地面上用重錘記錄下O點在水平面的投影 將小球拉至與O等高的水平位置處 繩被拉直 從靜止釋放小球 當小球到達O點正下方時 刀片割斷細繩 小球做平拋運動 記錄下小球的落點 1 下列物理量中需要測量的是 填選項前的字母 A 細繩的長度LB O點到地面的高度HC O點在地面的投影到小球落點的水平距離xD 小球的質(zhì)量m 2 利用題 1 中的字母 需要驗證的等式是 圖S6 12 要點總結 1 用自由落體法驗證機械能守恒定律 器材安裝如圖S6 13所示 1 請指出圖中的錯誤及不妥之處 至少寫出兩處 2 改進實驗中錯誤及不妥之處后 打出如圖S6 14所示的一條紙帶 已知打點計時器所接電源的頻率為50Hz 根據(jù)紙帶所給數(shù)據(jù) 打C點時重物的速度為 結果保留兩位有效數(shù)字 m s 圖S6 13 圖S6 14 圖S6 15 4 通過分析發(fā)現(xiàn)造成k2值偏小的原因是實驗過程中存在各種阻力 已知實驗所用重物的質(zhì)量m2 0 052kg 當?shù)刂亓铀俣萭 9 78m s2 則重物所受的平均阻力f 結果保留兩位有效數(shù)字 N 2 某課外小組利用豎直上拋運動驗證機械能守恒定律 1 某同學利用20分度的游標卡尺測量小球的直徑 讀數(shù)如圖S6 16所示 小球的直徑d cm 圖S6 16 2 用如圖S6 17所示的彈射裝置將小球豎直向上彈出 小球先后經(jīng)過光電門A B 計時裝置測出通過A和B的時間分別為tA和tB 用刻度尺測出光電門A B間距離h 已知當?shù)刂亓铀俣却笮間 則只需要驗證等量關系式 用所測物理量符號表示 成立 就可說明在誤差允許范圍內(nèi)小球機械能守恒 圖S6 17 3 在驗證機械能守恒定律的實驗中 使質(zhì)量為m 200g的重物拖著紙帶自由下落 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 18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 已知打點計時器每隔T 0 02s打一個點 當?shù)氐闹亓铀俣葹間 9 80m s2 圖S6 18 4 2018 深圳二調(diào) 某同學從實驗室天花板處自由釋放一鋼球 用頻閃攝影手段驗證機械能守恒定律 頻閃儀每隔相等時間短暫閃光一次 照片上記錄了鋼球在各個時刻的位置 1 操作時比較合理的做法是 填選項前的字母 A 先打開頻閃儀 再釋放鋼球B 先釋放鋼球 再打開頻閃儀 2 頻閃儀閃光頻率為f 拍到整個下落過程中的頻閃照片如圖S6 19所示 結合實驗場景估算f的可能值為 填選項前的字母 0 1HzB 1HzC 10HzD 100Hz 圖S6 19 3 用刻度尺在照片上測量鋼球各位置到釋放點O的距離分別為s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 重力加速度為g 已知實際直徑與照片上鋼球直徑之比為k 用游標卡尺測出鋼球?qū)嶋H直徑D 如圖S6 20所示 則D cm 4 選用以上各物理量符號 驗證從O到A過程中鋼球機械能守恒成立的關系式為 2gs5 圖S6 20 5 某實驗小組利用如圖S6 21所示的裝置驗證機械能守恒定律 實驗主要步驟如下 將光電門安放在固定于水平地面上的長木板上 將細繩一端連在小車上 另一端繞過兩個定滑輪后懸掛一鉤碼 調(diào)節(jié)木板上滑輪的高度 使該滑輪與小車間的細繩與木板平行 測出開始時小車上遮光板與光電門之間的距離L 接通電源 釋放小車 記下小車遮光板經(jīng)過光電門的時間t 圖S6 21 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算出小車與鉤碼組成的系統(tǒng)動能的增加量和鉤碼重力勢能的減少量 改變L的大小 重復步驟 若在誤差允許范圍內(nèi) 系統(tǒng)動能的增加量均等于鉤碼重力勢能的減少量 說明該系統(tǒng)機械能守恒 1 根據(jù)上述實驗步驟 實驗中還需測量的物理量有 填選項前的字母 A 小車上遮光板的寬度dB 小車的質(zhì)量m1C 鉤碼的質(zhì)量m2D 鉤碼下落的時間t 2 由實驗步驟和 1 選項中測得的物理量 可得到系統(tǒng)動能增加量為 鉤碼重力勢能減少量為 重力加速度為g 1 在 驗證機械能守恒定律 的實驗中 1 某同學用圖甲所示裝置進行實驗 得到如圖乙所示的紙帶 A B C D E為連續(xù)的五個點 交流電的頻率為50Hz 測出點A C間的距離為14 77cm 點C E間的距離為16 33cm 已知當?shù)刂亓铀俣葹? 8m s2 重錘的質(zhì)量為m 1 0kg 則重錘在下落過程中受到的平均阻力大小f N 2 某同學上交的實驗報告顯示重錘增加的動能略大于重錘減少的重力勢能 則出現(xiàn)這一問題的原因可能是 填選項前的字母 A 重錘下落時受到的阻力過大B 在計算中誤將g取10m s2C 重錘的質(zhì)量測量錯誤D 交流電源的頻率小于50Hz 2 某同學利用豎直上拋小球的頻閃照片驗證機械能守恒定律 頻閃儀每隔0 05s閃光一次 圖中所標數(shù)據(jù)為實際距離 該同學通過計算得到不同時刻的速度 當?shù)刂亓铀俣热? 8m s2 小球質(zhì)量m 0 4kg 結果保留3位有效數(shù)字 1 由頻閃照片上的數(shù)據(jù)計算t5時刻小球的速度v5 m s 2 從t2到t5時間內(nèi) 重力勢能增量 Ep J 動能減少量 Ek J 3 在誤差允許的范圍內(nèi) 若 Ep與 Ek近似相等 即可驗證機械能守恒定律 由上述計算得 Ep 選填 或 Ek 造成這種結果的主要原因是 3 利用如圖所示的實驗裝置探究重錘下落過程中重力勢能與動能的轉(zhuǎn)化問題 1 圖為一條符合實驗要求的紙帶 O點為打點計時器打下的第一點 分別測出若干連續(xù)點A B C 與O點之間的距離h1 h2 h3 已知打點計時器的打點周期為T 重錘質(zhì)量為m 重力加速度為g 可得重錘下落到B點時的速度大小為 2 取打下O點時重錘的重力勢能為零 計算出該重錘下落不同高度h時所對應的動能Ek和重力勢能Ep 建立坐標系 橫軸表示h 縱軸表示Ek和Ep 根據(jù)以上數(shù)據(jù)在圖中繪出圖線 和圖線 已求得圖線 斜率的絕對值k1 2 94J m 圖線 的斜率k2 2 80J m 重錘和紙帶在下落過程中所受平均阻力與重錘所受重力的比值為 用k1和k2表示