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(共48張PPT)
第五章
機械能守恒定律
實驗7　驗證機械能守恒定律
1.掌握用自由落體法驗證機械能守恒定律的實驗原理、操作、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等。2.會分析拓展、創(chuàng)新類實驗。
實驗儲備·歸納
自主落實 回扣教材
實驗類型·突破
關(guān)鍵能力 深度剖析
考向1　實驗原理和操作
【典例1】　某項目研究小組的同學(xué)要探究重錘下落過程中的重力勢能與動能變化之間的對應(yīng)關(guān)系,由此他們借助于鐵架臺和電磁打點計時器組裝了如圖甲所示的實驗裝置。
類型1　實驗基本技能應(yīng)用
(1)電磁打點計時器所用電源是____________(填“交流電源”或“直流電源”),工作電壓約為________V。
(2)探究過程中需要直接測量的物理量是________,通過計算得到的物理量是________。(均填選項字母)
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(yīng)的重錘的瞬時速度
(3)設(shè)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x1、x2、x3、x4,寫出重錘由B點到D點重力勢能減少量的表達式_________________,動能增加量的表達式________________。由于重錘下落時要克服阻力做功,所以該實驗的動能增加量總是________ (填“大于”“等于”或“小于”)重力勢能的減少量。
解析　(1)電磁打點計時器所用電源是利用交流電源工作的一種計時儀器,它的工作電壓為8 V。
(2)實驗探究過程中利用刻度尺與紙帶直接測量的物理量是重錘下落的高度,利用勻變速直線運動中間時刻的瞬時速度與全程平均速度相等,計算得到的物理量是與下落高度對應(yīng)的重錘的瞬時速度。


考向2　數(shù)據(jù)處理和誤差分析
【典例2】　某同學(xué)用落體法驗證機械能守恒定律,裝置如圖甲所示。
(1)實驗裝置中一處明顯的錯誤是_________________________。
(2)正確接好實驗裝置進行實驗,實驗打出的一條紙帶如圖乙所示,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xA、xB、xC。已知當?shù)刂亓铀俣葹間,打點計時器打點的周期為T,重物的質(zhì)量為m,從打下O點到打下B點的過程,重物的重力勢能減少量ΔEp=________,動能增加量ΔEk=________________。(均用已知物理量符號表示)




考向1　實驗裝置改變
【典例3】　小明利用圖甲所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律,所用器材包括:安裝phyphox　APP的智能手機、鐵球、刻度尺、鋼尺等。
類型2　實驗的遷移、拓展和創(chuàng)新
(1)下列實驗操作步驟,正確順序是________。
①將質(zhì)量為m的鐵球放在鋼尺末端
②迅速敲擊鋼尺側(cè)面,鐵球自由下落
③傳感器記錄下聲音振幅隨時間變化曲線
④將鋼尺伸出水平桌面少許,用刻度尺測出鋼尺上表面與地板間的高度差h
⑤將手機位于桌面上方,運行手機中的聲音“振幅”(聲音傳感器)項目
(2)聲音振幅隨時間變化曲線如圖乙所示,第一、第二個尖峰的橫坐標分別對應(yīng)鐵球開始下落和落地時刻,對應(yīng)的時間間隔t=________s。
(3)若鐵球下落過程中機械能守恒,則應(yīng)滿足等式:mgh=______(用m、h、t表示)。
(4)若敲擊鋼尺側(cè)面時鐵球獲得一個較小的水平速度,對實驗測量結(jié)果________(填“有”或“沒有”)影響。
解析　(1)首先應(yīng)將鋼尺伸出水平桌面,用刻度尺測出鋼尺上表面與地板間的高度差,然后將鐵球放在鋼尺末端,手機開始運行手機中的聲音“振幅”(聲音傳感器)項目,再迅速敲擊鋼尺側(cè)面,使鐵球自由下落,此時傳感器即可記錄下聲音振幅隨時間變化曲線,故操作步驟順序為④①⑤②③。
(2)由題圖乙可知,時間間隔為0.40 s。


考向2　實驗方案創(chuàng)新
【典例4】　某同學(xué)利用如圖所示的裝置驗證機械能守恒定律,已知當?shù)刂亓铀俣葹間。主要實驗步驟如下:
①用游標卡尺測量擋光片的寬度d,用量角器測出氣墊導(dǎo)軌的傾角θ;
②測量擋光片到光電門的距離L;
③由靜止釋放滑塊,記錄數(shù)字計時器顯示擋光片的擋光時間t;
④改變L,測出不同L所對應(yīng)的擋光時間t;
⑤用天平測出滑塊和擋光片的總質(zhì)量m;




考向3　實驗?zāi)康母淖?br/>【典例5】　(2022·廣東卷)某實驗小組為測量小球從某一高度釋放,與某種橡膠材料碰撞導(dǎo)致的機械能損失,設(shè)計了如圖甲所示的裝置,實驗過程如下:
(1)讓小球從某一高度由靜止釋放,與水平放置的橡膠材料碰撞后豎直反彈。調(diào)節(jié)光電門位置,使小球從光電門正上方釋放后,在下落和反彈過程中均可通過光電門。
(2)用螺旋測微器測量小球的直徑,示數(shù)如圖乙所示,小球直徑d=________mm。
(3)測量時,應(yīng)________(填“A”或“B”,其中A為“先釋放小球,后接通數(shù)字計時器”,B為“先接通數(shù)字計時器,后釋放小球”)。記錄小球第一次和第二次通過光電門的遮光時間t1和t2。
(4)計算小球通過光電門的速度,已知小球的質(zhì)量為m,可得小球與橡膠材料碰撞導(dǎo)致的機械能損失ΔE=_________________(用字母m、d、t1和t2表示)。
(5)若適當調(diào)高光電門的高度,將會________(填“增大”或“減小”)因空氣阻力引起的測量誤差。

(5)若調(diào)高光電門的高度,較調(diào)整之前小球會經(jīng)歷較大的空中距離,所以將會增大因空氣阻力引起的測量誤差。

高效訓(xùn)練·提能
拓廣視野 智學(xué)慧考


(3)下表為該同學(xué)的實驗結(jié)果:
ΔEp/(10-2 J) 4.892 9.786 14.69 19.59 29.38
ΔEk/(10-2 J) 5.04 10.1 15.1 20.0 29.8
他發(fā)現(xiàn)表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異,認為這是由空氣阻力造成的。你是否同意他的觀點 請說明理由。______________________。
(4)請你提出一條減小上述差異的改進建議。
________________________________________________。


答案　(1)B　(2)1.50(1.49~1.51都算對)　1.50(1.49~1.51都算對)　 (3)不同意,因為空氣阻力會造成ΔEk小于ΔEp,但表中ΔEk大于ΔEp　 (4)見解析
2.用如圖甲所示的實驗裝置驗證A、B組成的系統(tǒng)機械能守恒。B從高處由靜止開始下落,A上拖著的紙帶打出一系列的點,對紙帶上的點跡進行測量,即可驗證機械能守恒定律。如圖乙給出的是實驗中獲取的一條紙帶,0是打下的第一個點,每相鄰兩計數(shù)點間還有4個點(圖中未標出), 所用電源的頻率為50 Hz。已知A的質(zhì)量m1=50 g,B的質(zhì)量m2=150 g。 (結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)
(1)在紙帶上打下計數(shù)點5時的速度v5=________m/s。
(2)在打下0點到打下計數(shù)點5的過程中系統(tǒng)動能的增加量ΔEk=________J,系統(tǒng)重力勢能的減少量ΔEp=________J。(當?shù)氐闹亓铀俣萭取10 m/s2)


答案　(1)2.4　(2)0.58　0.60　(3)9.7
3.某實驗小組利用如圖甲所示的實驗裝置,探究輕質(zhì)彈簧的彈性勢能與形變量的關(guān)系,光滑水平桌面距地面高為h,一輕質(zhì)彈簧左端固定,右端與質(zhì)量為m的小鋼球接觸,彈簧處于原長時,將小球向左推,壓縮彈簧一段距離后由靜止釋放,在彈簧彈力的作用下,小球從桌子邊緣水平飛出,小球落到位于水平地面的復(fù)寫紙上,從而在復(fù)寫紙下方的白紙P點留下痕
跡。(已知重力加速度為g)
(1)實驗測得小球的落點P到O點的距離為l,那么由理論分析得到小球釋放前壓縮彈簧的彈性勢能Ep與h、l、mg之間的關(guān)系式為________。
(2)改變彈簧壓縮量進行多次實驗,測量數(shù)據(jù)如下表所示,請在圖乙坐標紙上作出x-l圖像。
彈簧壓縮量 x/m 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120
小球飛行的水平距離l/m 0.5 1.0 1.5 2.4 2.6 3.0
(3)由圖像得出x與l的關(guān)系式為________;由實驗得到彈簧彈性勢能Ep與彈簧壓縮量x之間的關(guān)系式為________________。

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