資源簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)七　驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律
●注意事項(xiàng)
1．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要豎直：安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力．
2．重物密度要大：重物應(yīng)選用質(zhì)量大、體積小、密度大的材料．
3．一先一后：應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作，后松開(kāi)紙帶讓重物下落．
4．測(cè)長(zhǎng)度，算速度：某時(shí)刻的瞬時(shí)速度的計(jì)算應(yīng)用vn＝，不能用vn＝或vn＝gt來(lái)計(jì)算．
●誤差分析
誤差 產(chǎn)生原因 減小方法
偶然誤差 測(cè)量長(zhǎng)度帶來(lái)的誤差 (1)測(cè)量距離時(shí)應(yīng)從計(jì)數(shù)點(diǎn)0量起，且選取的計(jì)數(shù)點(diǎn)離0點(diǎn)遠(yuǎn)些． (2)多次測(cè)量取平均值
系統(tǒng)誤差 重物和紙帶下落過(guò)程中存在阻力 (1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝穩(wěn)固，并使兩限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力． (2)選用質(zhì)量大、體積小的物體作重物，以減小空氣阻力的影響
考點(diǎn)　教材原型實(shí)驗(yàn)
典例　(2021·浙江6月選考)在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)中，小王用如圖1所示的裝置，讓重物從靜止開(kāi)始下落，打出一條清晰的紙帶，其中的一部分如圖2所示．O點(diǎn)是打下的第一個(gè)點(diǎn)，A、B、C和D為另外4個(gè)連續(xù)打下的點(diǎn)．
(1)為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)體積和形狀相同的重物，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇密度大的，理由是________________________________．
(2)已知交流電頻率為50 Hz，重物質(zhì)量為200 g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣热＝9.80 m/s2，則從O點(diǎn)到C點(diǎn)，重物的重力勢(shì)能變化量的絕對(duì)值|ΔEp|＝________J、C點(diǎn)的動(dòng)能EkC＝________ J(計(jì)算結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)．比較EkC與|ΔEp|的大小，出現(xiàn)這一結(jié)果的原因可能是________．
A．工作電壓偏高
B．存在空氣阻力和摩擦力
C．接通電源前釋放了紙帶
變式　某同學(xué)利用如圖甲所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)中打出如圖乙所示的紙帶，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用交流電源的頻率為50 Hz.
(1)下列關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的說(shuō)法正確的是________．
A．紙帶必須盡量保持沿豎直方向以減小摩擦阻力作用
B．為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，必須選擇紙帶上打出的第一個(gè)點(diǎn)作為起點(diǎn)
C．將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器改成電火花計(jì)時(shí)器可以減小紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間的摩擦
D．選擇較輕的物體作為重物時(shí)實(shí)驗(yàn)效果更好
(2)圖乙為實(shí)驗(yàn)中打出的一條紙帶，打下C點(diǎn)時(shí)重物的速度為_(kāi)_______m/s(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)．
(3)該同學(xué)用兩個(gè)形狀完全相同但質(zhì)量不同的重物P和Q分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得幾組數(shù)據(jù)，并作出v2 h圖像，如圖丙所示，由圖可判斷P的質(zhì)量________(填“大于”或“小于”)Q的質(zhì)量．
考點(diǎn)　實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改進(jìn)
創(chuàng)新角度 實(shí)驗(yàn)裝置/原理圖 創(chuàng)新解讀
實(shí)驗(yàn)原理創(chuàng)新 (1)利用機(jī)械能守恒定律確定彈簧彈性勢(shì)能． (2)由平拋運(yùn)動(dòng)測(cè)量球的初速度． (3)利用s Δx圖線處理數(shù)據(jù)
(1)利用鋼球擺動(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律． (2)利用光電門(mén)測(cè)定擺球的瞬時(shí)速度
實(shí)驗(yàn)情境創(chuàng)新 (1)用光電門(mén)測(cè)定小球下落到B點(diǎn)的速度． (2)結(jié)合 H圖線判斷小球下落過(guò)程中機(jī)械能守恒． (3)分析實(shí)驗(yàn)誤差ΔEp－ΔEk隨H變化的規(guī)律
實(shí)驗(yàn)情境創(chuàng)新 (1)利用系統(tǒng)機(jī)械能守恒代替單個(gè)物體的機(jī)械能守恒． (2)利用光電門(mén)測(cè)算滑塊的瞬時(shí)速度
1．[實(shí)驗(yàn)情境創(chuàng)新]利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示，水平桌面上固定一傾斜的氣墊導(dǎo)軌；導(dǎo)軌上A點(diǎn)處有一帶長(zhǎng)方形遮光片的滑塊，其總質(zhì)量為M，左端由跨過(guò)輕質(zhì)光滑定滑輪的細(xì)繩與一質(zhì)量為m的小球相連，遮光片兩條長(zhǎng)邊與導(dǎo)軌垂直；導(dǎo)軌上B點(diǎn)處有一光電門(mén)，可以測(cè)量遮光片經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)的擋光時(shí)間t，用d表示A點(diǎn)到光電門(mén)B處的距離，b表示遮光片的寬度，將遮光片通過(guò)光電門(mén)的平均速度看作滑塊通過(guò)B點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度，實(shí)驗(yàn)時(shí)滑塊在A處由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)．
(1)某次實(shí)驗(yàn)測(cè)得傾角θ＝30°，重力加速度用g表示，滑塊從A處到達(dá)B處時(shí)m和M組成的系統(tǒng)動(dòng)能增加量可表示為ΔEk＝________，系統(tǒng)的重力勢(shì)能減少量可表示為ΔEp＝________，在誤差允許的范圍內(nèi)，若ΔEk＝ΔEp，則可認(rèn)為系統(tǒng)的機(jī)械能守恒．
(2)某同學(xué)改變A、B間的距離，作出的v2 d圖像如圖乙所示，并測(cè)得M＝m，則重力加速度g＝________m/s2.(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)
2．[數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新]某探究小組利用圖示裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．如圖所示，將拉力傳感器固定在天花板上，不可伸長(zhǎng)的細(xì)線一端連在拉力傳感器上的O點(diǎn)，另一端系住可視為質(zhì)點(diǎn)的鋼球．開(kāi)始鋼球靜止于最低位置，此時(shí)拉力傳感器示數(shù)為F0，將鋼球拉至細(xì)線與豎直方向成θ角處無(wú)初速度釋放，拉力傳感器顯示拉力的最大值為F，重力加速度為g，則(　　)
(1)鋼球質(zhì)量m＝________.
(2)該組同學(xué)將鋼球拉至細(xì)線與豎直方向成不同θ角后由靜止釋放，記下拉力傳感器對(duì)應(yīng)的最大示數(shù)F，并作出 cos θ圖像，如果鋼球擺動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械能守恒，則下列圖像合理的是________．
(3)如果鋼球擺動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒，則 cos θ圖像的斜率k＝________.
答案及解析
考點(diǎn)　教材原型實(shí)驗(yàn)
典例　(2021·浙江6月選考)在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)中，小王用如圖1所示的裝置，讓重物從靜止開(kāi)始下落，打出一條清晰的紙帶，其中的一部分如圖2所示．O點(diǎn)是打下的第一個(gè)點(diǎn)，A、B、C和D為另外4個(gè)連續(xù)打下的點(diǎn)．
(1)為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)體積和形狀相同的重物，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇密度大的，理由是________________________________．
(2)已知交流電頻率為50 Hz，重物質(zhì)量為200 g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣热＝9.80 m/s2，則從O點(diǎn)到C點(diǎn)，重物的重力勢(shì)能變化量的絕對(duì)值|ΔEp|＝________J、C點(diǎn)的動(dòng)能EkC＝________ J(計(jì)算結(jié)果均保留3位有效數(shù)字)．比較EkC與|ΔEp|的大小，出現(xiàn)這一結(jié)果的原因可能是________．
A．工作電壓偏高
B．存在空氣阻力和摩擦力
C．接通電源前釋放了紙帶
解析：(1)對(duì)體積和形狀相同的重物，密度大的質(zhì)量大，重力大，重物運(yùn)動(dòng)過(guò)程所受阻力與重力之比就更小，實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差就更小．
(2)由題圖2讀出OC的距離為ΔxOC＝xC－xO＝27.90 cm－0＝27.90 cm＝0.279 0 m
重物的重力勢(shì)能變化量的絕對(duì)值|ΔEp|＝mgΔxOC＝200×10－3×9.80×0.279 0 J＝0.547 J
交流電頻率f＝50 Hz，打連續(xù)點(diǎn)跡的時(shí)間間隔T＝＝ s＝0.02 s
根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間的平均速度等于這段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度，可知打C點(diǎn)的速度vC＝＝＝ m/s＝2.413 m/s
C點(diǎn)的動(dòng)能EkC＝mv＝×200×10－3×2.4132 J＝0.582 J
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：EkC大于|ΔEp|
打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作電壓偏高，并不會(huì)影響重物與紙帶的受力與運(yùn)動(dòng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響，故A錯(cuò)誤；重物與紙帶下落過(guò)程中受到空氣阻力和摩擦力，會(huì)損失機(jī)械能，所以減少的重力勢(shì)能應(yīng)大于增加的動(dòng)能，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，故B錯(cuò)誤；接通電源前釋放了紙帶，會(huì)使打下第一個(gè)點(diǎn)時(shí)重物已經(jīng)具有了速度，即重物的初速度大于零，則使末動(dòng)能偏大，符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，故C正確．
答案：(1)使阻力與重力之比更小，減小實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差　(2)0.547(0.542～0.550均正確)　0.582(0.570～0.590均正確)　C
變式　某同學(xué)利用如圖甲所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)中打出如圖乙所示的紙帶，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用交流電源的頻率為50 Hz.
(1)下列關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的說(shuō)法正確的是________．
A．紙帶必須盡量保持沿豎直方向以減小摩擦阻力作用
B．為了驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，必須選擇紙帶上打出的第一個(gè)點(diǎn)作為起點(diǎn)
C．將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器改成電火花計(jì)時(shí)器可以減小紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間的摩擦
D．選擇較輕的物體作為重物時(shí)實(shí)驗(yàn)效果更好
(2)圖乙為實(shí)驗(yàn)中打出的一條紙帶，打下C點(diǎn)時(shí)重物的速度為_(kāi)_______m/s(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)．
(3)該同學(xué)用兩個(gè)形狀完全相同但質(zhì)量不同的重物P和Q分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得幾組數(shù)據(jù)，并作出v2 h圖像，如圖丙所示，由圖可判斷P的質(zhì)量________(填“大于”或“小于”)Q的質(zhì)量．
解析：(1)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡量保持紙帶沿豎直方向以減小與限位孔之間的摩擦阻力，故A正確；驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律時(shí)，可以不選擇紙帶上打出的第一個(gè)點(diǎn)作為起點(diǎn)，但如果不選擇第一個(gè)點(diǎn)作為起點(diǎn)，必須求出所選起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度，故B錯(cuò)誤；電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器利用振針打點(diǎn)，其打點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力比利用電火花計(jì)時(shí)器打點(diǎn)時(shí)的大，故C正確；為了減小空氣阻力的影響，選擇較重的物體作為重物時(shí)實(shí)驗(yàn)效果更好，故D錯(cuò)誤．
(2)打點(diǎn)周期T＝0.02 s，根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)中某段時(shí)間內(nèi)的平均速度等于其中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度可知，打下C點(diǎn)時(shí)重物的速度vC＝＝×10－2 m/s≈2.26 m/s.
(3)設(shè)空氣阻力為f，根據(jù)動(dòng)能定理有(mg－f)h＝mv2，整理得v2＝h·2，則v2 h圖線的斜率k＝2，由于P圖線的斜率大于Q圖線的斜率，而空氣阻力相同，所以P的質(zhì)量大于Q的質(zhì)量．
答案：(1)AC　(2)2.26　(3)大于
考點(diǎn)　實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與改進(jìn)
1．[實(shí)驗(yàn)情境創(chuàng)新]利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示，水平桌面上固定一傾斜的氣墊導(dǎo)軌；導(dǎo)軌上A點(diǎn)處有一帶長(zhǎng)方形遮光片的滑塊，其總質(zhì)量為M，左端由跨過(guò)輕質(zhì)光滑定滑輪的細(xì)繩與一質(zhì)量為m的小球相連，遮光片兩條長(zhǎng)邊與導(dǎo)軌垂直；導(dǎo)軌上B點(diǎn)處有一光電門(mén)，可以測(cè)量遮光片經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)的擋光時(shí)間t，用d表示A點(diǎn)到光電門(mén)B處的距離，b表示遮光片的寬度，將遮光片通過(guò)光電門(mén)的平均速度看作滑塊通過(guò)B點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度，實(shí)驗(yàn)時(shí)滑塊在A處由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)．
(1)某次實(shí)驗(yàn)測(cè)得傾角θ＝30°，重力加速度用g表示，滑塊從A處到達(dá)B處時(shí)m和M組成的系統(tǒng)動(dòng)能增加量可表示為ΔEk＝________，系統(tǒng)的重力勢(shì)能減少量可表示為ΔEp＝________，在誤差允許的范圍內(nèi)，若ΔEk＝ΔEp，則可認(rèn)為系統(tǒng)的機(jī)械能守恒．
(2)某同學(xué)改變A、B間的距離，作出的v2 d圖像如圖乙所示，并測(cè)得M＝m，則重力加速度g＝________m/s2.(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)
解析：(1)滑塊通過(guò)B點(diǎn)的速度為vB＝，滑塊從A處到B處時(shí)m和M組成的系統(tǒng)動(dòng)能增加量為ΔEk＝(m＋M)2＝，系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量為ΔEp＝mgd－Mgdsin 30°＝gd.
(2)根據(jù)系統(tǒng)機(jī)械能守恒有(M＋m)v2＝gd，
則v2＝2×gd，又由m＝M
可得圖像的斜率k＝2×g＝
由圖像可知k＝ m/s2
聯(lián)立解得g＝9.6 m/s2.
答案：(1)　gd　
(2)9.6
2．[數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新]某探究小組利用圖示裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律．如圖所示，將拉力傳感器固定在天花板上，不可伸長(zhǎng)的細(xì)線一端連在拉力傳感器上的O點(diǎn)，另一端系住可視為質(zhì)點(diǎn)的鋼球．開(kāi)始鋼球靜止于最低位置，此時(shí)拉力傳感器示數(shù)為F0，將鋼球拉至細(xì)線與豎直方向成θ角處無(wú)初速度釋放，拉力傳感器顯示拉力的最大值為F，重力加速度為g，則(　　)
(1)鋼球質(zhì)量m＝________.
(2)該組同學(xué)將鋼球拉至細(xì)線與豎直方向成不同θ角后由靜止釋放，記下拉力傳感器對(duì)應(yīng)的最大示數(shù)F，并作出 cos θ圖像，如果鋼球擺動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械能守恒，則下列圖像合理的是________．
(3)如果鋼球擺動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒，則 cos θ圖像的斜率k＝________.
解析：(1)鋼球靜止于最低位置時(shí)，由平衡條件有F0＝mg，則鋼球的質(zhì)量m＝.
(2)(3)設(shè)細(xì)線的長(zhǎng)度為l，鋼球運(yùn)動(dòng)至某位置時(shí)速度大小為v、細(xì)線與豎直方向的夾角為α、此時(shí)拉力傳感器的示數(shù)為F拉，若規(guī)定鋼球釋放位置所對(duì)應(yīng)的水平面為零勢(shì)能面，則對(duì)鋼球從靜止釋放到此位置的過(guò)程，由機(jī)械能守恒定律有0＝mv2－mgl(cos α－cos θ)，對(duì)鋼球在此位置沿細(xì)線方向由牛頓第二定律有F拉－mgcos α＝m，聯(lián)立可得F拉＝3mgcos α－2mgcos θ，所以當(dāng)α＝0，即鋼球運(yùn)動(dòng)到最低位置時(shí)，傳感器的示數(shù)F拉最大(【點(diǎn)撥】如果對(duì)豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)模型很熟悉，則可直接得出鋼球在最低點(diǎn)時(shí)，細(xì)線上的拉力最大)，最大示數(shù)F＝3mg－2mgcos θ，則＝＝3－2cos θ，故 cos θ圖像的斜率k＝－2，則圖像C合理．
答案：(1)　(2)C　(3)－2(共27張PPT)
實(shí)驗(yàn)七　驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律
第五章　機(jī)械能
實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 記熟背牢
原型實(shí)驗(yàn) 創(chuàng)新改進(jìn)
謝 謝 觀 看
O
打點(diǎn)
計(jì)時(shí)器
紙帶
夾子
重物
實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律
通過(guò)實(shí)驗(yàn)，求出做自由落體運(yùn)動(dòng)物體的重力
實(shí)驗(yàn)原理
勢(shì)能的減少量和相應(yīng)過(guò)程動(dòng)能的增加量，若
二者相等，說(shuō)明機(jī)械能守恒
實(shí)驗(yàn)器材
打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電源、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙、重物、
刻度尺、鐵架臺(tái)（附夾子)、導(dǎo)線兩根
(1)安裝器材：將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鐵架臺(tái)上，
用導(dǎo)線將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與交流電源相連
(2)將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)
時(shí)器的限位孔
(3)用手提著紙帶，讓重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器并
實(shí)驗(yàn)步驟
處于靜止?fàn)顟B(tài)，然后接通電源，松開(kāi)紙帶，
讓重物自由落下，紙帶上打下一系列小點(diǎn)
(4)從幾條打下點(diǎn)的紙帶中挑選出點(diǎn)跡清楚的
紙帶進(jìn)行測(cè)量
(⑤)在起始點(diǎn)標(biāo)上0，在以后各點(diǎn)依次標(biāo)上1、
2、3、…，用刻度尺測(cè)出對(duì)應(yīng)下落高度h、h2、
計(jì)算速度yn=
hntt-hn-
2T
數(shù)據(jù)處理
方案一：利用起點(diǎn)和第n點(diǎn)：驗(yàn)證gh,2
方案二：任取較遠(yuǎn)兩點(diǎn)4、B:驗(yàn)證gh2
UB
方秦三：繪出)0-h圖線，驗(yàn)證直線斜幸為g

展開(kāi)更多......

收起↑