2019年高中物理第七章第9节实验:验证机械能守恒定律讲义含解析新人教版必修220190531234.doc
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1、试题为word版 下载可打印编辑实验:验证机械能守恒定律一、实验目的1掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。2能正确测量数据,会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。二、实验原理让物体自由下落,忽略阻力情况下物体的机械能守恒,有两种方案验证物体的机械能守恒。方案1:以物体下落的起始点O为基准,测出物体下落高度h时的速度大小v,若mv2mgh成立,则可验证物体的机械能守恒。方案2:测出物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2,若关系式mvmvmgh成立,则可验证物体的机械能守恒。三、实验器材铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带纸带夹子)、纸带(数条)、复写纸、导线、毫米
2、刻度尺、学生电源(交流46 V)。四、实验步骤1仪器安装按图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。2打纸带和选纸带打纸带:将纸带的一端用夹子固定在重物上,另一端穿过打点计时器的限位孔,用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源,后松开纸带,让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做35次实验。选纸带:分两种情况说明。(1)用mv2mgh验证:这是以纸带上第一点(起始点)为基准验证机械能守恒定律的方法。由于第一点应是重物做自由落体运动开始下落的点,所以应选取点迹清晰且第1、2连续两点间的距离接近2 mm的纸带。(2)用mvmvmgh验证机械能守恒定律时,由于重力势
3、能的相对性,处理纸带时,选择适当的点为基准点,这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2 mm就无关紧要了,只要后面的点迹清晰就可选用。3纸带处理在起始点标上0,在以后各点依次标上1、2、3、用刻度尺测出对应的下落高度h1、h2、h3、五、数据处理1求瞬时速度标出所打的第一个点为O,并从稍靠后的某一点开始,依次标出1、2、3、4、并测量出各点到位置O的距离h1、h2、h3、h4、用公式vn计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3、v4、2守恒验证方法一:利用起始点计算利用起始点和第n点计算。代入ghn和v2,如果在实验误差允许的范围内,ghnv2,则机械能守恒定律得到验证。方法二:任取两点计
4、算(1)任取两点A、B测出hAB,求出ghAB。(2)求出A、B两点的瞬时速度,求出vv的值。(3)如果在实验误差允许的范围内,ghABvv,则机械能守恒定律得到验证。方法三:图象法从纸带上选取多个点,测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算各点速度的平方v2,然后以v2为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出v2h图线。若在误差允许的范围内,图象是一条过原点且斜率为g的直线,则验证了机械能守恒定律。六、注意事项1尽可能地控制实验条件,即应满足机械能守恒的条件,这就要求尽量减小各种阻力,采取的措施有:(1)安装打点计时器时,必须使两个限位孔的中线竖直,以减小摩擦阻力。(2)应选用质量和密度较大的
5、重物,以减小空气阻力的影响。2应先接通电源让打点计时器开始打点,再放开纸带让重物下落。3选取纸带的原则(1)点迹清晰,实验时必须保持提起的纸带竖直,手不动,待接通电源,让打点计时器工作稳定后再松开纸带,以保证第1个点是一个清晰的点。(2)所打点呈一直线分布。(3)第1、2两点间距接近2 mm,这说明打第1个点时重物的初速度近似为零,即hgt210(0.02)2 m2 mm。4为减小测量高度h的相对误差,选取的各计数点要离起始点较远一些,从起始点开始测出h1、h2、再求出hh2h1、七、误差分析1测量长度会带来偶然误差。减小偶然误差的办法:(1)测距离都应从O点测起。(2)多次测量取平均值。(3
6、)选取的计数点应尽可能离O点远些,以减小相对误差。2重物在拖着纸带下落的过程中必然受到阻力作用,主要是打点计时器与纸带间的摩擦力以及空气的阻力。克服这些阻力做功要消耗能量,所以重物动能的增加量Ek必定小于重力势能的减少量Ep。这是实验设计上带来的系统误差。3打点计时器周期变化带来误差。典型例题例1.在验证机械能守恒定律的实验中。(1)多选从下列器材中选出实验时所必须的器材,其编号为()A打点计时器(包括纸带) B重物C天平 D毫米刻度尺E秒表 F小车(2)打点计时器的安装放置要_;开始打点计时的时候,应先_,然后_。(3)实验中产生系统误差的原因主要是_,使重物获得的动能往往_。为减小误差,悬
7、挂在纸带下的重物应选择 _。(4)如果以为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出的h图线是_,该线的斜率等于_。解析(1)选出的器材有:打点计时器(包括纸带)、重物、毫米刻度尺,编号分别为A、B、D,注意因mghmv2,故m可消去,不需要用天平。(2)打点计时器安装时,两限位孔必须在同一竖直线上,这样才能使重物在自由下落时,受到的阻力较小,开始记录时,应先给打点计时器通电打点,然后再释放纸带。(3)产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计时器时受到摩擦阻力,导致重物获得的动能小于它所减少的重力势能,为减小误差,重物应选密度大一些的。(4)描绘出来的h图线是一条通过坐标原点的倾斜直线,它的斜率即为重力
8、加速度。答案(1)ABD(2)两限位孔必须在同一竖直线上给打点计时器通电释放纸带(3)纸带通过打点计时器时有摩擦阻力小于所减小的重力势能密度大一些的(4)一条通过坐标原点的倾斜直线重力加速度典型例题例2.(2016泉州高一检测)在“验证机械能守恒定律”的实验中,打点计时器所用电源频率为50 Hz,当地重力加速度的值为9.80 m/s2,测得所用重物的质量为1.0 kg。甲、乙、丙三个同学分别用同一装置打出三条纸带,量出各纸带上第1、2两点间的距离分别为0.18 cm、0.18 cm和0.25 cm,可看出其中肯定有一个同学在操作上出现了问题,出现的问题是_。若按实验要求正确地选出纸带如图所示(
9、相邻计数点的时间间隔为0.02 s),那么:(1)纸带的_(填“左”或“右”)端与重物相连。(2)打点计时器打下计数点B时,重物的速度vB_。(3)从起点O到打下计数点B的过程中重物重力势能的减少量Ep_,此过程中重物动能的增加量Ek_。(4)通过计算,数值上Ep_Ek(填“”、“”或“”),这是因为_。(5)实验的结论是_。(6)若实验中所用电源的频率fEk,在实验中存在阻力,重物的重力势能不能完全转化为动能。(5)在实验误差允许的范围内,重物的机械能守恒。(6)若f实验中存在阻力,重物的重力势能不能完全转化为动能(5)在误差允许的范围内重物的机械能守恒(6)Ek可能大于Ep典型例题例3.利
10、用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置示意图如图所示。(1)实验步骤:将气垫导轨放在水平面上,桌面高度不低于1 m,将导轨调至水平;用游标卡尺测量挡光条的宽度为l9.30 mm;由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s_ cm;将滑块移至光电门1左侧某处,待砝码静止不动时,释放滑块,要求砝码落地前挡光条已通过光电门2;从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间t1和t2;用天平称出滑块和挡光条的总质量M,再称出托盘和砝码的总质量m。(2)用表示直接测量量的字母写出下列物理量的表达式:滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1_和v2_;当滑块通过光电门1和光电
11、门2时,系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1_和Ek2_;在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中,系统势能的减少量Ep减_(重力加速度为g)。(3)如果Ep减_,则可认为验证了机械能守恒定律。解析由于挡光条宽度很小,因此将挡光条通过光电门时的平均速度当做瞬时速度,挡光条的宽度l可用游标卡尺测量,挡光时间t可从数字计时器读出,因此,滑块通过光电门的瞬时速度为,由于质量已用天平测出,所以,滑块的动能就是已知数了。测出动能的增加值,测出重力势能的减少值,如果两者在误差允许范围内相等,就验证了机械能守恒定律。答案(1)60.00(59.9660.04均正确)(2)(Mm)2(Mm)
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