資源簡介

(共44張PPT)
實驗六　驗證機械能守恒定律
1.實驗原理
通過實驗，求出做自由落體運動的物體的重力勢能的減少量和此過程中動能的增加量，在實驗誤差允許的范圍內，若二者相等，說明機械能守恒，從而驗證機械能守恒定律，實驗裝置如圖所示.
2.實驗器材：打點計時器、交流電源、紙帶、復寫紙、重物、　　　　、鐵架臺（帶鐵夾）、導線.
3.實驗步驟
（1）安裝器材：將　　　　　　固定在鐵架臺上，用導線將打點計時器與電源相連.
（2）打點：用手豎直提起紙帶，使重物?？吭诖螯c計時器下方附近，先　　　　　　，再　　　　　　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，換上新的紙帶重復操作，得到幾條（3~5條）紙帶.
刻度尺
打點計時器
接通電源
松開紙帶
2 mm
例1　（2024年浙江卷）在“驗證機械能守恒定律”的實驗中：
（1）下列操作正確的是　　　　.
A　
（2）實驗獲得一條紙帶，截取點跡清晰的一段并測得數據如圖所示.已知打點的頻率為50 Hz，則打點“13”時，重錘下落的速度大小為　　　　m/s.（保留三位有效數字）
3.34
（3）某同學用紙帶的數據求出重力加速度g=9.77 m/s2，并用此g值計算得出打點“1”到“13”過程重錘的重力勢能減小值為5.09m，另計算得動能增加值為5.08m（m為重錘質量），則該結果　　　?。ㄌ睢澳堋被颉安荒堋保炞C機械能守恒，理由是　　　　.
A.在誤差允許范圍內
B.沒有用當地的重力加速度g
不能
B
變式1　某實驗小組在做“驗證機械能守恒定律”實驗中，提出了如圖甲、乙所示的兩種方案：甲方案用自由落體運動進行實驗，乙方案用小車在斜面上下滑進行實驗.
（1）你認為誤差較小的方案是_____________________________.
（2）若該小組采用圖甲的裝置打出了一條紙帶如圖丙所示，相鄰兩點之間的時間間隔為0.02 s，請根據紙帶計算出B點的速度大小為　　　　m/s.（結果保留3位有效數字）
甲方案　
1.37
（3）該小組內同學根據紙帶算出了相應點的速度，作出v2-h圖線如圖丁所示，請根據圖線計算出當地的重力加速度g=　　　m/s2.（結果保留2位有效數字）
9.8
命題二　實驗拓展創新?。蹌撔驴疾椋?br/>過程創新
（1）利用系統機械能守恒代替單個物體的機械能守恒
（2）利用光電門測算滑塊的瞬時速度
原理創新 （1）利用鋼球擺動來驗證機械能守恒定律
（2）利用光電門測定擺球的瞬時速度
器材創新 （1）小球在重力作用下做豎直上拋運動
（2）利用頻閃照片獲取實驗數據
例2　某同學設計了一個用拉力傳感器驗證機械能守恒定律的實驗.一根輕繩一端連接固定的拉力傳感器，另一端連接小鋼球，如圖甲.拉起小鋼球至某一位置由靜止釋放，使小鋼球在豎直平面內擺動，記錄小鋼球擺動過程中拉力傳感器示數的最大值Tmax和最小值Tmin.改變小鋼球的初始釋放位置，重復上述過程.根據測量數據在直角坐標系中繪制的Tmax-Tmin圖像是一條直線，如圖乙所示.
（1）若小鋼球擺動過程中機械能守恒，則圖乙中直線斜率的理論值為　　　　.
（2）由圖乙得：直線的斜率為　　　　，小鋼球的重力為　　　　N.
-2
-2.1
0.59
（3）該實驗系統誤差的主要來源是　　　.
A.小鋼球擺動角度偏大
B.小鋼球初始釋放位置不同
C.小鋼球擺動過程中有空氣阻力
C
（3）該實驗系統誤差主要來源是小鋼球擺動過程中有空氣阻力，使得機械能減小，C正確.
變式2?。?024年吉林適應性測試）某同學設計實驗驗證機械能守恒定律，裝置如圖甲所示.一質量為m、直徑為d的小球固定于釋放裝置上，在小球正下方固定四個光電門，調節各光電門的中心，使其與小球的球心均在同一豎直線上.由靜止釋放小球，記錄小球通過每個光電門的擋光時間，重力加速度為g.
（1）若測得某光電門的中心與釋放點的豎直距離為h，小球通過此光電門的擋光時間為Δt，則小球從釋放點下落至此光電門中心時的動能增加量ΔEk=　　　　，重力勢能減小量ΔEp=　　　?。ㄓ妙}中字母表示）.
（2）根據實驗數據，作出ΔEk ΔEp的圖像，如圖乙所示.若圖中虛線的斜率k≈　　　　，則可驗證機械能守恒定律.
mgh
1
（3）經過多次重復實驗，發現小球經過第3個光電門時，ΔEk總是大于ΔEp，下列原因中可能的是　　　　.
A.第三個光電門的中心與釋放點的豎直距離測量值偏大
B.第三個光電門的中心偏離小球下落時球心所在的豎直線
C.小球下落過程中受到空氣阻力的作用
B
（3）第三個光電門的中心與釋放點的豎直距離測量值偏大，則ΔEp的測量值偏大，使得ΔEk小于ΔEp，A錯誤；第三個光電門的中心偏離小球下落時球心所在的豎直線，使得擋光寬度小于小球的直徑，則速度測量值偏大，ΔEk的測量值偏大，使得ΔEk大于ΔEp，B正確；小球下落過程中受到空氣阻力的作用，使得減少的重力勢能有一部分轉化為內能，則ΔEk小于ΔEp，C錯誤.
變式3?。?024年清遠模擬）用如圖甲所示的裝置來驗證機械能守恒定律.質量為M的A與質量為m的B用繞過定滑輪的細線連接，A上裝有質量很小的遮光片，B上放有6個質量分別為m的槽碼，此時A、B剛好保持平衡.豎直標尺下端固定有光電門，可測得遮光片通過的時間.記下遮光片在標尺上對準的位置O.
4.80
（3）寫出一條提高實驗結果準確程度的建議：　　　　　　　　　　　.
減小遮光片寬度
知識鞏固練
1.某同學用如圖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6 V的交變電流和直流電，交變電流的頻率為50 Hz.重錘從高處由靜止開始下落，重錘拖著的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.
（本欄目對應學生用書P386~387）
（1）他進行了下面幾個操作步驟：
A.按照圖示的裝置安裝器件；
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　　　，操作不當的步驟是　　.（填字母）
C
B
（2）這位同學進行正確測量后挑選出一條點跡清晰的紙帶進行測量分析，如圖乙所示，其中O點為起始點，A、B、C、D、E、F為六個計數點.根據紙帶上的測量數據，可得出打B點時重錘的速度約為　　　m/s.（保留3位有效數字）
1.84
C
2.甲、乙都是使用電磁打點計時器驗證機械能守恒定律的實驗裝置圖.
甲
0.90
（在0.90~0.92范圍）
（3）若當地重力加速度g取9.80 m/s2，比較重物在A、D間的勢能變化ΔEp和動能變化ΔEk的大小關系為ΔEk　　　ΔEp（填“>”“=”或“<”），分析造成的原因是___________________________________________________.　
>
實驗時先釋放紙帶后接通電源，即A點的速度不等于零
綜合提升練
3.登上月球的航天員利用頻閃儀（頻率為每秒20次）給自由落體的小球拍攝的頻閃照片如圖所示（圖上所標數據為小球到達各位置時下落的高度），則：
（1）月球表面重力加速度為　　　　m/s2.（保留2位有效數字）
1.6
（2）月球表面沒有空氣，因此做能量守恒實驗具有更好的條件.假設月球表面重力加速度為上述計算值，小球的質量為m，則小球從O點由靜止開始下落到E處增加的動能的表達式為　　　　　 ?。ň嚯x用OA、AB、BC等字母表示，頻閃時間間隔為T）.從O點開始下落到E點的過程中減少的勢能表達式為　　　　　　　?。ㄔ虑虮砻嬷亓铀俣扔胓月表示），由照片上的數據可以計算并判斷出小球下落過程中機械能　　　?。ㄌ睢笆睾恪被颉安皇睾恪保?
ΔEp=mg月OE
守恒
4.（2024年佛山第一中學模擬）如圖所示的實驗裝置可以用來驗證機械能守恒定律，彈簧上端連接一個力傳感器，力傳感器固定在鐵架臺橫梁上，彈簧下端連接一枚鋼球.鋼球上固定一個擋光片，鋼球和擋光片總質量為m.調整兩個光電門的位置，使得鋼球由靜止釋放后能夠通過光電門A和光電門B.測出光電門A、B與彈簧自然狀態時最下端距離分別為Δx1、Δx2，重力加速度為g.
（1）用螺旋測微器測量光電門擋光片厚
度如圖所示，則光電門擋光片厚度d=　　　 　 mm.
2.040或2.041　
（2）實驗過程中測得擋光片經過光電門A、B時力傳感器的讀數分別為F1、F2，擋光片經過光電門A、B時的擋光時間分別為Δt1、Δt2，若Δt2<Δt1，則表明小球從A到B過程動能　　　　?。ㄌ睢霸黾印被颉皽p少”）.
（3）小球從光電門A運動到光電門B的過程中，由于彈簧彈力與伸長量成正比，可用平均力計算克服彈力所做的功W=　　　　　　　　　　??；然后根據實驗數據得出小球機械能減少量ΔE，比較W和ΔE，若兩者在誤差范圍內近似相等，則小球和彈簧組成的系統機械能守恒.
增加

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