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2衡水中学物理最经典-实验微课(六)验证机械能守恒定律.pdf

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2衡水中学物理最经典-实验微课(六)验证机械能守恒定律.pdf

上传人:秋江孤影 2023/3/21 文件大小:503 KB

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2衡水中学物理最经典-实验微课(六)验证机械能守恒定律.pdf

文档介绍

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考点考级命题点考查频率
实验原理与实验操作(Ⅰ)命题点:考查实验原理与操作2017·天津卷,9(2)
实验数据处理与误差分析(Ⅰ)命题点:实验数据处理与误差分析2016·课标卷Ⅰ,22
命题点1:利用锥摆验证
命题点2:利用自由落体验证
实验拓展与创新(Ⅱ)————
命题点3:利用连接体验证
命题点4:利用气垫导轨验证
一、实验目的
验证机械能守恒定律.
二、实验原理
,物体的重力势能和动能互相转化,但总的机械
,下落高度为h,则重力势能的减少量为mgh,动
1
能的增加量为m2,看它们在实验误差允许的范围内是否相等,若相等则验证了机械能守
2v
恒定律.
:做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间的平均速度
vt
=.计算打第n个点瞬时速度的方法是:测第出n个点的相邻前后两段相等时间T内下
v2t
x+xh-h
落的距离x和x,由公式v=nn+1或v=n+1n-1算,出如图所示.
nn+1n2Tn2T
三、实验器材
铁架台(含铁夹)、打点计时器、学生电源、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、重物
(带纸带夹).
四、实验步骤

按如图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路.

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
,后松开纸带,
换纸带重复做3~5次实验.

分两种情况说明
1
(1)如果根据m2=mgh验证时,应选点迹清晰,打点成一条直线,且1、2两点间距离
2v
、2两点间的距离大于2mm,这是由于先释放纸带,后接通
,第1个点就不是运动的起始点了,这样的纸带不能选.
11
(2)如果根据mv2-mv2=mgΔh验证时,由于重力势能的变化是绝对的,处理纸带时,
2B2A
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2mm就无关紧要
了,所以只要后面的点迹清晰就可选用.
五、数据处理

h-h
由公式v=n+1n-1可以计算出重物下落h,h,h,…的高度时对应的瞬时速度v,
n2T1231
v,,…
2v3

1
方法一:利用起始点和第n点计算,代入gh和v2,如果
n2n
1
在实验误差允许的范围内,gh=v2,则说明机械能守恒定律是正确的.
n2n
11
方法二:任取两点A、B测出h,算出gh和v2-v2的值,如果在实验误差允许
ABAB2B2A
11
的范围内,gh=v2-v2,则说明机械能守恒定律是正确的.
AB2B2A
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
11
算各点速度的平方2,然后以2为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出2-
v2v2v
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.
六、误差分析

本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做
功,故动能的增加量ΔE稍小于重力势能的减少量ΔE,即ΔE<ΔE,这属于系统误差,改
kpkp
进的方法是调整器材的安装,尽可能地减小阻力.

本实验的另一个误差来源于长度的测量,属于偶然误差。减小误差的方法是测下落距离
时都从O点测量时,一次将各打点对应的下落高度测量完,或者多次测量取平均值.
七、注意事项
,即应满足机械能守恒的条件,这就要求尽量减小各种阻力
的影响,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严格竖直,
(2)应选用质量和密度较大的重物,增大重力可使阻力的影响相对减小,增大密度可以
减小体积,可使空气阻力减小.
,提纸带的手要保持不动,且保证纸带竖直,接通电源后,打点计时器工作
稳定后再松开纸带.
1
,可以不测出重物质量,只要比较v2和gh是否相等即可验证机
2nn
械能是否守恒.
,为了减小测量值h的相对误差,选取的各个计数点要离起始点远
一些,纸带也不易过长,有效长度可在60cm~80cm之间.
=gt或=2gh计算,否则犯了用机械能守恒定律验证机械能守恒
vnnvnn
的错误.
考点一实验原理与实验操作
命题点考查实验原理与操作
1.(2017·天津卷,9(2))如图所示,打点计时器固定在铁架台上,使重物带动纸带从静止
开始自由下落,利用此装置验证机械能守恒定律.
(1)对于该实验,下列操作中对减小实验误差有利的是____.



,接通电源后,撤手释放重物
(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz的交流电源上,按正确操作得到
了一条完整的纸带,由于纸带较长,图中有部分未画出,
器打出的计时点,
的距离直接测出,利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有________.
、AD和EG的长度
、BC和CD的长度
、CF和EG的长度
、BD和EG的长度
【解析】(1)A对:验证机械能守恒定律时,为降低空气阻力的影响,重物的质量和
密度要大.
B对:为减小纸带与打点计时器间的摩擦,两限位孔要在同一竖直平面内上下对正.
1
C错:验证机械能守恒定律的表达式为mgh=m2,重物的质量没必要测量.
2v
D错:此做法对减小实验误差无影响.
1
(2)利用纸带数据,根据mgh=
2v
落的高度并计算出对应的速度,选项A、D的条件中,下落高度与所能计算的速度不对应;
选项B的条件符合要求,可以取重物下落OC时处理;
11
选项C中,可以求出C、F点的瞬时速度,又知CF间的距离,可以利用mv2-mv2=
2221
mgΔh验证机械能守恒定律.
【答案】(1)AB(2)BC
考点二实验数据处理与误差分析
命题点实验数据处理与误差分析
2.(2016·课标卷Ⅰ,22)某同学用图(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律,其中打点
计时器的电源为交流电源,可以使用的频率有20Hz、30Hz和40Hz,打出纸带的一部分如
图(b)所示.
该同学在实验中没有记录交流电的频率f,需要用实验数据和其他题给条件进行推算.
(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落,利用f和图(b)中给出的物理量可以写出:
在打点计时器打出B点时,重物下落的速度大小为________,打出C点时重物下落的速
度大小为________,重物下落的加速度大小为________.
(2)已测得s=,s=,s=;,
123
实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%.由此推算出f为________Hz.
s+s
【解析】(1)打出B点时,重物下落的速度等于AC段的平均速度,所以v=12=
B2T
s+sfs+ss+sf
12;同理打出C点时,重物下落的速度v=23=23;
2C2T2
Δvs-sf2
由加速度的定义式得a==31
Δt2
21-kg
(2)由牛顿第二定律得:mg-kmg=ma,解得:f=,代入数值解得:f≈40Hz.
s-s
31
11
【答案】(1)(s+s)f(s+s)f
212223
1
(s-s)f2(2)40
231
“落体法”探究机械能守恒定律时,实验装置如图甲所示,具体操作如下:
①按照图甲中的装置组装实验器材;
②将下端拴接重物的纸带穿过打点计时器的限位孔,使纸带呈竖直状态,且使重物靠近
打点计时器;
③接通电源,待打点计时器打点稳定后释放纸带,在纸带上打下一系列的点;
④换用新纸带多次重复上述操作;
⑤从其中选择一条点迹清晰的纸带,如图乙所示,测量出图乙中的计数点1、2、3到打
点计时器所打的第一个点0的间距分别为h、h、h.
123
由以上操作回答下列问题:
(1)如果重物的质量为m,打点计时器的打点周期为T,重力加速度用g表示,则当打点
计时器打下计数点2时重物动能的增加量为________,重力势能的减少量为________;
(2)如果以打0点时重物的位置为零势能点,求出重物下落任一高度时的动能以及重力
势能,根据得出的多组数据,建立如图丙所示的坐标系,其中图线A为重物的重力势能的
绝对值随下落高度的变化规律图线,图线B为重物的动能随下落高度的变化规律图线,且
两图线的斜率分别为k、
AB
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
h-h
【解析】(1)打点计时器打下计数点2时重物的速度为=31,此时重物增加的动
v2T
1mh-h
能为E=mv2=312,重物减少的重力势能为mgh;(2)图线A与图线B不重叠的主
k28T22
要原因是重物和纸带下落过程中需要克服阻力做功.
mh-h2
【答案】(1)31mgh(2)重物和纸带下落过程中需要克服阻力做功
8T22