資源簡介

8.5.2 實驗：驗證機械能守恒定律
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
物理觀念：樹立能量觀念，理解理解實驗的設(shè)計思路，明確實驗中需要測量的物理量。
科學(xué)思維：知道實驗中選取測量點的有關(guān)要求，會測量下落高度和瞬時速度。
科學(xué)探究：能正確進(jìn)行實驗操作，能夠根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的分析中得出實驗結(jié)論。
科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過實驗及誤差分析，培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灳?，激發(fā)學(xué)生對物理規(guī)律的探知欲。
【合作探究】
學(xué)習(xí)目標(biāo)一：回顧舊知
一、實驗思路
機械能守恒的前提是“只有 或 做功”，因此研究過程一定要滿足這一條件.本節(jié)實驗我們以只有 做功的過程進(jìn)行研究.
二、物理量的測量及數(shù)據(jù)分析
只有重力做功時，只發(fā)生重力勢能和動能的轉(zhuǎn)化.
(1)要驗證的表達(dá)式：mv22＋mgh2＝ 或：mv22－mv12＝ .
(2)所需測量的物理量：物體所處兩位置之間的 ，及物體的 .
學(xué)習(xí)目標(biāo)二：典例分析
考點一：驗證機械能守恒定律的實驗?zāi)康?、原理和器?br/>【例1】在用圖示裝置做“驗證機械能守恒定律”的實驗中，初始釋放紙帶時（　?。?br/>夾子應(yīng)在靠近打點計時器處
B．夾子應(yīng)在遠(yuǎn)離打點計時器處
C．打點計時器應(yīng)在夾子與手的中間位置
D．手應(yīng)在挨近打點計時器處
【例2】《用DIS研究機械能守恒定律》的實驗中，下列說法中正確的是（　?。?br/>A．?dāng)[錘每次都必須從擺錘釋放器的位置以不同的速度向下運動
B．必須測定擺錘的質(zhì)量
C．?dāng)[錘下落的高度可由標(biāo)尺盤直接測定
D．定位擋片的作用是改變擺錘的機械能
考點二：驗證機械能守恒定律的實驗步驟與數(shù)據(jù)處理
【例3】小華同學(xué)利用如圖所示的裝置驗證機械能守恒定律。下列說法正確的是（ ）
A．電火花計時器應(yīng)連接交流電源，工作電壓約為8V
B．實驗中應(yīng)手提紙帶上端，先釋放紙帶再啟動電火花計時器
C．打出的紙帶前面一小段被損毀，用剩余部分也能驗證機械能守恒定律
D．實驗中所測重物的動能增加量通常比其重力勢能的減少量稍大
【例4】某同學(xué)利用利用重錘和打點計時器做“驗證機械能守恒定律”實驗，請回答下列問題。根據(jù)紙帶算出打下各點時重物的速度，量出下落高度，則以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)畫出的圖像應(yīng)是下列選項中的（ ）
A．B．C． D．
【例5】在研究重物自由下落過程中機械能守恒的實驗中，得到如圖所示的一條紙帶，該紙帶上最初打出的幾個點不清楚，紙帶上留下的是后面的一些點算出打下B、C兩點時重物的速度分別是、，測得 B、C兩點間的距離為h，那么驗證機械能守恒的表達(dá)式可寫為（　　）
A． B． C． D．
考點三：驗證機械能守恒定律的注意事項和誤差分析
【例6】如圖為“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置，下列說法正確的是
A．釋放紙帶時，重錘應(yīng)盡量遠(yuǎn)離打點計時器
B．可以利用公式計算重物的速度
C．由于阻力，重錘重力勢能的減少量大于動能的增加量
D．交流電源的實際頻率若小于，算得的動能偏小
【例7】在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，下列說法正確的是（　?。?br/>A．必須要用天平稱出重錘的質(zhì)量 B．實驗時，當(dāng)松開紙帶讓重錘下落的同時，立即接通電源 C．開始時用手提著紙帶比用夾子夾著紙帶效果更好
D．實驗結(jié)果應(yīng)該是動能的增加量略小于重力勢能的減小量
鞏固練習(xí)
選擇題
1．如圖所示是用打點計時器驗證機械能守恒定律的實驗裝置。關(guān)于這一實驗，下列說法中正確的是（　?。?br/>A.重物減少的重力勢能略小于增加的動能
B．重物應(yīng)選用密度小的物體
C．紙帶釋放前，應(yīng)使其豎直
D．應(yīng)先釋放紙帶，后接通電源
2．如圖1所示，用重物牽引小車在水平面上由靜止開始運動，小車后面連接紙帶，打點計時器在紙帶上打下一系列點。圖2為一次實驗得到的紙帶，A、B、C為打點計時器在紙帶上打下的三個點。下列說法正確的是（　?。?br/>A．圖2中的紙帶的右端與小車相連
B．A到B和B到C兩個過程中小車動能的變化量相等
C．若將小車的質(zhì)量加倍，則小車的加速度一定減為原來的
D．重物的質(zhì)量越大，繩上拉力與重物重力的比值越小
3.利用如圖1所示裝置做“驗證機械能守恒定律”實驗?；卮鹣铝袉栴}：
（1）除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺（含鐵夾）、打點計時器、導(dǎo)線外，在下列器材中還必須使用的器材是________。
A．交流電源 B．毫米刻度尺
C．天平（含砝碼） D．秒表
（2）實驗中用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時器的地方，先_________，再_________（選填“接通電源”或“釋放重物”），得到如圖2所示一條紙帶。在紙帶上選取三個連續(xù)打出的點A、B、C，測得它們到起始點O的距離分別為h1、h2、h3。已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，打點計時器打點的周期為T。設(shè)重物的質(zhì)量為m，從打O點到B點的過程中，重物的重力勢能的減少量△EP＝________，動能增加量△Ek＝________。
（3）實驗結(jié)果表明重力勢能的減少量略大于動能的增加量，該實驗系統(tǒng)誤差的原因是________。
4、如圖所示，氣墊導(dǎo)軌上質(zhì)量為M的滑塊通過輕質(zhì)細(xì)繩繞過輕質(zhì)動滑輪與拉力傳感器相連，動滑輪下懸掛質(zhì)量為m的鉤碼，滑塊上遮光條寬度為d。實驗時，滑塊由靜止釋放，測得遮光條通過光電門的時間為△t，拉力傳感器的讀數(shù)為F。
（1）某同學(xué)在“探究繩子拉力對滑塊做功與滑塊動能變化的關(guān)系”實驗時，記錄滑塊的初位置與光電門的距離L及擋光條通過光電門的時間△t，測得多組L和△t值。應(yīng)用圖像法處理數(shù)據(jù)時，為了獲得線性圖像應(yīng)作___________圖像（選填“L-”、“L ”或“L-”），該圖像的斜率k=___________；
（2）該同學(xué)通過實驗發(fā)現(xiàn)：繩子拉力F做的功總大于滑塊動能的變化量。若實驗數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確，出現(xiàn)該情況的可能原因是___________；
A．鉤碼質(zhì)量m未遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量M B．滑塊運動過程中克服阻力做功
C．氣墊導(dǎo)軌沒有調(diào)節(jié)水平 D．沒有考慮動滑輪的質(zhì)量
（3）若用上述裝置研究系統(tǒng)（含滑塊、鉤碼）機械能守恒，設(shè)滑塊由靜止開始的釋放點與光電門的距離為L、擋光條通過光電門的時間為△t，則滿足關(guān)系式___________（用已知量符號表示）時，運動過程中系統(tǒng)機械能守恒。
8.5 實驗：驗證機械能守恒定律（2）答案
例1、【答案】A
【詳解】A B C．夾子應(yīng)在靠近打點計時器處，打的點多，A正確，BC錯誤；
D．手應(yīng)在遠(yuǎn)離打點計時器處，D錯誤。故選A。
例2、【答案】C
【詳解】A．?dāng)[錘每次都必須從擺錘釋放器的位置由靜止開始向下運動，故A錯誤；
B．在驗證機械能守恒表達(dá)式時，由于動能表達(dá)式和重力勢能表達(dá)式中均含有擺錘質(zhì)量的一次項，所以可將質(zhì)量約去，不必要測定擺錘的質(zhì)量，故B錯誤；
C．?dāng)[錘下落的高度可由標(biāo)尺盤直接測定，故C正確；
D．在定量研究機械能守恒定律之前需要進(jìn)行定性研究的實驗，實驗中用到圖中的定位擋片，它的作用是改變擺線的長度，來觀察受到阻擋后擺錘能否擺到另外一側(cè)接近釋放時的同一高度，故D錯誤。故選C。
例3、【答案】C
【詳解】A．電火花計時器應(yīng)接220V的交流電源，故A錯誤；
B．如果先放開紙帶開始運動，再接通打點計時時器的電源，由于重物運動較快，不利于數(shù)據(jù)的采集和處理，會對實驗產(chǎn)生較大的誤差；同時先打點，再釋放紙帶，可以使打點穩(wěn)定，提高紙帶利用率，可以使紙帶上打滿點，故B錯誤；
C．前面的紙帶損毀，利用后面紙帶的從個相距較遠(yuǎn)的兩點也能驗證機械能守恒律：利用勻變速直線運動中間時刻的瞬時速度等于這段時間的平均速度，可分別求出打下這兩點的速度，進(jìn)而可求出動能的增加量，量出兩點的距離后，可以求出重力勢能的減小量，然后兩者對比，即可驗證機械能守恒定律，故C正確；
D．重物帶動紙帶下落過程中，除了重力還受到阻力，從能量轉(zhuǎn)化的角度，由于阻力做功，重力勢能有部分轉(zhuǎn)化給摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能，所以重力勢能的減小量略大于動能的增加量，故D錯誤。故選C。
例4、【答案】B
【詳解】在“驗證機械能守恒定律”實驗中，有 因此 由于是常量，因此圖像應(yīng)為過原點的傾斜直線，故ACD錯誤，B正確。故選B。
例5、【答案】B
【詳解】從B運動到C的過程中，重力勢能的減少量為
動能的增加量為
所以驗證機械能守恒的表達(dá)式為 即
故選B。
例6、【答案】C
【詳解】A．為了充分利用紙帶，減少實驗誤差，釋放紙帶時，重錘應(yīng)盡量靠近打點計時器，故A錯誤；
B．求解各點的速度，運用某段時間內(nèi)的平均速度等于中間時刻的瞬時速度求解，不能根據(jù)v=gt計算重物的速度，因為重物下落過程受到一定的阻力作用，使得重物的實際加速度小于g，故B錯誤；
C．由于阻力，重錘重力勢能的減少量大于動能的增加量，故C正確；
D．交流電頻率小于50Hz時，會導(dǎo)致速度測量值偏大，導(dǎo)致算得的動能偏大，故D錯誤。故選C。
例7、【詳解】A．驗證機械能守恒的實驗中，根據(jù)實驗原理，需要驗證下列方程成立，即 則不需要天平稱量質(zhì)量，故A錯誤；
B．如果先放開紙帶讓重物下落，立即接通打點計時器的電源，由于重物運動較快，不利于數(shù)據(jù)的采集和處理，會對實驗產(chǎn)生較大的誤差；應(yīng)先接通電源，再釋放重錘，故B錯誤；
C．應(yīng)用夾子夾住紙帶上端避免手提紙帶因抖動而造成摩擦的增大，故C錯誤；
D．由于阻力的影響，產(chǎn)生內(nèi)能，根據(jù)能量守恒定律知，實驗結(jié)果總是動能的增量略小于重力勢能的減小量，故D正確。故選D。
鞏固練習(xí)
1．C
【詳解】
A．由于摩擦阻力的原因重物減小的重力勢能略大于增加的動能，A錯誤；
B．為了減小空氣阻力帶來的誤差，應(yīng)選擇體積小密度大的物體，B錯誤；
C．紙帶釋放前，應(yīng)該豎直以便減小紙帶與打點計時器之間摩擦，C正確；
D．先打開電源，后釋放紙帶，D錯誤；
故選C。
2．D
【詳解】
A．從圖2可以看出，從左往右速度越來越大，所以圖中的紙帶的左端與小車相連，選項A錯誤；
B．A到B和B到C兩個過程中下降高度不等，重力勢能變化不等，根據(jù)能量守恒可知小車動能的變化量不相等，選項B錯誤；
C．以小車和重物整體有
若將小車的質(zhì)量加倍，則小車的加速度不一定減為原來的，選項C錯誤；
D．以小車為研究對象有
則繩上拉力與重物重力的比值
所以重物的質(zhì)量越大，繩上拉力與重物重力的比值越小，選項D正確。
故選D。
3.A、B 接通電源 釋放重物 mgh2 空氣阻力影響或紙帶受到阻力作用
【詳解】
(1)[1]打點計時器是利用交流電工作的計時儀器，驗證機械能守恒定律實驗只需驗證
即可，所以需要測量紙帶上點跡之間的距離，需要用到刻度尺，故AB正確，CD錯誤。
故選AB；
(2)[2][3]打點計時器使用時，先釋放重物的話，那在計時器開始工作前，重物下降的那一段紙帶是無法打點的，故先接通電源后釋放重物；
[4]從打O點到B點的過程中，重物的重力勢能的減少量
[5] 物體到B點時速度
動能增加量
=)2
(3)[6] 重力勢能的減少量略大于動能的增加量，該實驗系統(tǒng)誤差的原因是物體下落時會受到空氣阻力和打點計時器對紙帶的阻力作用。
4.【答案】 L BC
【詳解】（1）[1]由動能定理 則
則為了獲得線性圖像應(yīng)作圖像；
[2]該圖像的斜率
（2）[3]A．因此實驗中應(yīng)用了力傳感器，則不需要鉤碼質(zhì)量m遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量M，選項A錯誤；
B．滑塊運動過程中克服阻力做功，使得滑塊動能的變化量小于繩子拉力F做的功，選項B正確；
C．氣墊導(dǎo)軌沒有調(diào)節(jié)水平，滑塊要克服重力做功，使得滑塊動能的變化量小于繩子拉力F做的功，選項C正確；
D．因此實驗中應(yīng)用了力傳感器，則動滑輪的質(zhì)量對實驗無影響，選項D錯誤；
故選BC。
（3）[4]拉力對系統(tǒng)做功 W=mgL 滑塊的速度
則鉤碼的速度為
則系統(tǒng)動能的增量
則若運動過程中系統(tǒng)機械能守恒，則滿足關(guān)系式

展開更多......

收起↑