高中物理實(shí)驗(yàn)六驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

1、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.、實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，質(zhì)量為m的物體從0點(diǎn)自由下落，以地面作為零重力 勢能面，如果忽略空氣阻力，下落過程中任意兩點(diǎn)A和B的機(jī)械能守恒1i即 qmvA+ mghA= mvB+ mghB1 1上式亦可寫成2mvB 2mvA= mghA mghB.等式說明，物體重力勢能的減少等于動能的增加為了方便，可以直接1從開始下落的0點(diǎn)至任意一點(diǎn)(如圖1中A點(diǎn))來進(jìn)行研究，這時應(yīng)有：；mvA=mgh,即為本實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)證的表達(dá)式，式中h是物體從0點(diǎn)下落至A點(diǎn)的高度，va是物體在A 點(diǎn)的瞬時速度.三、實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時器，低壓交流電源，帶有鐵夾的鐵架臺，紙帶

2、，復(fù)寫紙，帶夾子的重打點(diǎn)計(jì)時器物，刻度尺，導(dǎo)線兩根.四、實(shí)驗(yàn)步驟1 安裝置：按圖2將檢查、調(diào)整好的打點(diǎn)計(jì)時器豎直固定在鐵 架臺上，接好電路.2打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過打 點(diǎn)計(jì)時器的限位孔用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時器 的地方先接通電源，后松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落. 更換紙帶重復(fù)做35次實(shí)驗(yàn).3選紙帶：分兩種情況說明1 2 、(1) 用2mvn= mghn驗(yàn)證時，應(yīng)選點(diǎn)跡清晰，且1、2兩點(diǎn)間距離略小于或接近2 mm的紙帶.1 2 1 2用2mvB ?mvA= mgh驗(yàn)證時，由于重力勢能的相對性，處理紙帶時，選擇適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，只要后面的點(diǎn)跡清晰就可選用

3、.五、數(shù)據(jù)處理方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn)計(jì)算1 1代入mghn和2mv2，如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許的條件下，mghn 和mvn相等，那么驗(yàn)證了 機(jī)械能守恒定律.方法二：任取兩點(diǎn)計(jì)算任取兩點(diǎn)A、B測出hAB,算出mghAB.1 2 1 2(2) 算出 qmvB qmvA 的值.在實(shí)驗(yàn)誤差允許的條件下，假設(shè) mghAB= 2mvB mvA，那么驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.方法三：圖象法從紙帶上選取多個點(diǎn)，測量從第一點(diǎn)到其余各點(diǎn)的下落高度 h,并計(jì)算各點(diǎn)速度1i的平方V2，然后以v2為縱軸，以h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出qv2 h圖線.假設(shè) 在誤差允許的范圍內(nèi)圖線是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，那么驗(yàn)證了機(jī)械能守恒

4、定律.六、誤差分析1. 本實(shí)驗(yàn)中因重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻力(如空氣阻力、打點(diǎn)計(jì)時 器阻力)做功，故動能的增加量AEk稍小于重力勢能的減少量 圧p,即AEk< AEp， 這屬于系統(tǒng)誤差.改良的方法是調(diào)整器材的安裝，盡可能地減小阻力.2. 本實(shí)驗(yàn)的另一個誤差來源于長度的測量，屬偶然誤差.減小誤差的方法是測下 落距離時都從0點(diǎn)量起，一次將各打點(diǎn)對應(yīng)的下落高度測量完，或者屢次測量 取平均值來減小誤差.七、考前須知1. 打點(diǎn)計(jì)時器要穩(wěn)定的固定在鐵架臺上，打點(diǎn)計(jì)時器平面與紙帶限位孔調(diào)整在豎 直方向，以減小摩擦阻力.2. 應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度

5、 可以減小體積，可使空氣阻力減小.3. 實(shí)驗(yàn)中，需保持提紙帶的手不動，且保證紙帶豎直，待接通電源，打點(diǎn)計(jì)時器 工作穩(wěn)定后，再松開紙帶.4測下落高度時，要從第一個打點(diǎn)測起，并且各點(diǎn)對應(yīng)的下落高度要一次測量完.5.速度不能用vn = gtn或vn= . 2ghn計(jì)算，因?yàn)橹灰J(rèn)為加速度為g，機(jī)械能當(dāng)然 守恒，即相當(dāng)于用機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，況且用vn= gtn計(jì)算出的速度比實(shí)際值大，會得出機(jī)械能增加的結(jié)論，而因?yàn)槟Σ磷枇Φ挠绊懀瑱C(jī) 械能應(yīng)該減小，所以速度應(yīng)從紙帶上直接測量計(jì)算.同樣的道理，重物下落的1v2高度h，也只能用刻度尺直接測量，而不能用 hn= -gtn或 hn=計(jì)算得到.記憶

6、口訣自由落體驗(yàn)守恒，阻力減小機(jī)械能.儀器固定豎直向，先開電源物后放.開頭兩點(diǎn)兩毫米，從頭驗(yàn)證式容易.不管開頭看清晰，任取兩點(diǎn)就可以.圖象驗(yàn)證也很好，關(guān)鍵記住兩坐標(biāo).例 1 某實(shí)驗(yàn)小組在做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)中，提出了如圖3 所示的甲、乙兩種方案：甲方案為用自由落體運(yùn)動進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，乙方案為用小車在斜面上下 滑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)圖3(1) 組內(nèi)同學(xué)對兩種方案進(jìn)行了深入的討論分析，最終確定了一個大家認(rèn)為誤差 相 對 較 小 的 方 案 ， 你 認(rèn) 為 該 小 組 選 擇 的 方 案 是 ， 理 由 是(2) 假設(shè)該小組采用圖甲的裝置打出了一條紙帶如圖4 所示，相鄰兩點(diǎn)之間的時間間隔為0.02 s,請根據(jù)紙帶

7、計(jì)算出B點(diǎn)的速度大小為 m/s結(jié)果保存三位有效數(shù)字 )該小組內(nèi)同學(xué)根據(jù)紙帶算出了相應(yīng)點(diǎn)的速度，作出 V2 h圖線如圖5所示,請根據(jù)圖線計(jì)算出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?g=m/$.(結(jié)果保存兩位有效數(shù)圖5例 2 為了測定木塊與木板之間的動摩擦因數(shù)，利用現(xiàn)有的器材：木板、木塊、 彈簧測力計(jì)、刻度尺、秒表、砂桶與砂如圖 6 所示，有人設(shè)計(jì)了下面三種實(shí) 驗(yàn)方案： (1)設(shè)法使木板靜止， 增減右面砂桶內(nèi)的砂， 使木塊在木板上勻速運(yùn)動， 并測出木塊、砂與砂桶的重力； (2)用手拉彈簧測力計(jì)保持其靜止、水平，然后 用力 F 拉木板向左運(yùn)動，并讀出彈簧測力計(jì)的示數(shù)，稱出木塊的重力； (3)把木 板傾斜一定角度且固定，

8、 讓木塊從木板頂端由靜止釋放， 使木塊加速滑到底端， 并測出下滑時間及相應(yīng)各長度1.如果這三個實(shí)驗(yàn)的操作正確無誤，測動摩擦因數(shù)最準(zhǔn)確而且最簡單的實(shí)驗(yàn)方案是.2試從實(shí)驗(yàn)原理上對每個方案作出簡要分析和評價(jià)方案1： »方案2： 方案3: 方法提煉設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目的解決步驟1找原型：把教材中的實(shí)驗(yàn)原型或者相關(guān)的物理理論知識在頭腦中完整、準(zhǔn)確 地重現(xiàn)出來；2找差異：將實(shí)驗(yàn)中所給器材與實(shí)驗(yàn)原型中器材進(jìn)行比照，看一下少了什么器 材或什么器材的量程不滿足要求，再看一個“多給了什么器材，注意“多給 的器材往往就是解決問題的金鑰匙；3定原理：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于實(shí)驗(yàn)原理的設(shè)計(jì)， 它是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的依據(jù)和起點(diǎn)，

9、它決定了應(yīng)選用或還需要哪些實(shí)驗(yàn)器材，應(yīng)測量哪些物理量，如何編排實(shí)驗(yàn)步 驟，而實(shí)驗(yàn)原理的設(shè)計(jì)又往往依賴于所提供的實(shí)驗(yàn)器材 條件和實(shí)驗(yàn)要求，它們 相輔相成，互為條件；4定方案：根據(jù)與原型實(shí)驗(yàn)比照的結(jié)果和確定的實(shí)驗(yàn)原理與器材，確定需要測圖7量的物理量，來確定實(shí)驗(yàn)方案與步驟.跟蹤訓(xùn)練用如圖7實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證mi、m2組成的系統(tǒng)機(jī)械能守 恒.m2從高處由靜止開始下落，mi上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行 測量，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律如圖 8給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶：0是 打下的第一個點(diǎn)，每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個點(diǎn)圖中未標(biāo)出，計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離已 在圖中標(biāo)出 mi = 50 g、m2= 150

10、g,貝Ug取10 m/s2，結(jié)果保存兩位有效數(shù)字圖81下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個操作步驟： A 按照圖示的裝置安裝器件B 將打點(diǎn)計(jì)時器接到直流電源上C. 先釋放m2，再接通電源打出一條紙帶D. 測量紙帶上某些點(diǎn)間的距離E. 根據(jù)測量的結(jié)果，分別計(jì)算系統(tǒng)減少的重力勢能和增加的動能，其中操作不當(dāng)?shù)牟襟E是填選項(xiàng)對應(yīng)的字母.2在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時的速度v =m/s；3在打點(diǎn)05過程中系統(tǒng)動能的增量 AEk=J,系統(tǒng)勢能的減少量AEpJ由此得出的結(jié)論是：14假設(shè)某同學(xué)作出2v2- h圖象如圖9所示，寫出計(jì)算當(dāng)?shù)刂亓铀俣?g的表達(dá)式 ，并計(jì)算出當(dāng)?shù)氐膶?shí)際重力加速度 g =m/s.1以下關(guān)于“驗(yàn)證機(jī)械能守恒

11、定律實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)誤差的說法中，正確的選項(xiàng)是()A 重物質(zhì)量的稱量不準(zhǔn)會造成較大誤差B 重物質(zhì)量選用得大些，有利于減小誤差C.重物質(zhì)量選用得小此，有利于減小誤差D 假設(shè)紙帶下落較打點(diǎn)早，會造成較大誤差2 關(guān)于 “ 驗(yàn)證 機(jī) 械能 守 恒定 律 的 實(shí) 驗(yàn)中 ， 以下 說 法 正確 的 是 ()A 實(shí)驗(yàn)中摩擦是不可防止的，因此紙帶越短越好，因?yàn)榧垘г蕉蹋朔Σ?力做的功就越少，誤差就越小B 實(shí)驗(yàn)時需稱出重物的質(zhì)量C紙帶上第1、2兩點(diǎn)間距假設(shè)不接近2 mm,那么無論怎樣處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn) 誤差都一定較大D .處理打點(diǎn)的紙帶時，可以直接利用打點(diǎn)計(jì)時器打出的實(shí)際點(diǎn)跡，而不必采 用“計(jì)數(shù)點(diǎn)的方法3. 用自

12、由落體運(yùn)動驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律時，某同學(xué)按照正確的操作得到如圖10所示的紙帶.其中0點(diǎn)是起始點(diǎn)，A、B、C是打點(diǎn)計(jì)時器連續(xù)打下的三個點(diǎn)， 該同學(xué)用毫米刻度尺測量 0點(diǎn)到A、B、C各點(diǎn)的距離，并記錄在圖中(單位： cm)打點(diǎn)計(jì)時器的電源頻率為 50 Hz,重物質(zhì)量為m,當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭= 9.80 m/s2(1) 圖中的數(shù)據(jù)不符合有效數(shù)字讀數(shù)要求的是 :(2) 該同學(xué)用重物在0B段的運(yùn)動來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，先計(jì)算出該段重物重力勢能的減少量為 ,接著從打點(diǎn)計(jì)時器打下的第一個點(diǎn) 0數(shù)起，數(shù)到圖中B點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時器打下的第9個點(diǎn)，他用VB = gt計(jì)算和B點(diǎn)對應(yīng)的重物 的瞬時速度，得到動能的增加量為 (

13、均保存三位有效數(shù)字)這樣他發(fā)現(xiàn)重力勢能的減少量 (填“大于或“小于)動能的增加量，造成這一錯誤的原因是假設(shè)某同學(xué)所選的紙帶中，設(shè)打 0點(diǎn)時釋放物體，打點(diǎn)計(jì)時器打 A點(diǎn)時物體 速度大小為v，該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中稱：測得 v= 2.36 m/s, h = 27.73 cm,據(jù)此可得：*v2= 2.785 m/s2, gh= 2.718 m/s2.在誤差范圍內(nèi)兩者相等，即機(jī)械能守恒定律得證. 老師批閱：“數(shù)據(jù)非實(shí)驗(yàn)所得！ 其理由是：4. 如圖11為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖. 現(xiàn)有的器材 為：帶鐵夾的鐵架臺、電磁打點(diǎn)計(jì)時器、紙帶，帶鐵夾的重錘、 天平答復(fù)以下問題：(1)為完成此實(shí)驗(yàn)，除了所給的

14、器材外，還需要的器材有 .(填入正確選項(xiàng)前的字母)A .米尺圖11B .秒表C. 012 V的直流電源D . 012 V的交流電源(2) 下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個操作步驟：A 按照圖示的裝置安裝器材B 將打點(diǎn)計(jì)時器接到電源的“直流輸出上C用天平測出重錘的質(zhì)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(diǎn)間的距離F根據(jù)測量的結(jié)果計(jì)算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能其中操作不當(dāng)?shù)牟襟E是:(3) 實(shí)驗(yàn)中誤差產(chǎn)生的原因有(寫出兩個原因)(4) 利用這個裝置也可以測量重錘下落的加速度a的數(shù)值根據(jù)打出的紙帶，選取紙帶上連續(xù)的五個點(diǎn) A、B、C、D、E,測出各點(diǎn)之間的距離如圖12所

15、示.使用交流電的頻率為f,那么計(jì)算重錘下落的加速度的表達(dá)式 a=.用XI、X2、X3、X4 及 f 表示)圖12答案例1見解析 1.37 (3)9.75解析(1)甲 采用圖乙實(shí)驗(yàn)時，由于小車與斜面間存在摩擦力的作用，且不能 忽略，所以小車在下滑的過程中機(jī)械能不守恒，故圖乙不能用于驗(yàn)證機(jī)械能守 恒定律例2 1.(2) 2木塊勻速不易調(diào)節(jié)和判斷滑動摩擦力的大小可直接從彈簧測力計(jì)讀出，與木板運(yùn)動性質(zhì)無關(guān)時間、長度的測量都會產(chǎn)生誤差，且測量過程和步驟較多1 平安：在三個方案中都不存在平安問題；2可行：根據(jù)題目中給出的器材，方案(1)中保證木板靜止，用彈簧測力計(jì)測量木 塊、砂桶與砂的重力都能做到，可是要

16、想保證木塊在木板上勻速運(yùn)動就比擬困 難了.方案(1):不具有可操作性，所以排除方案(1).方案(2):彈簧測力計(jì)靜止，木塊也靜止，拉動木板運(yùn)動時，木塊在水平方向上 受到彈簧測力計(jì)的拉力和木板的滑動摩擦力作用而平衡，所以彈簧測力計(jì)的示 數(shù)等于滑動摩擦力Ff的大小，而且在拉動木板的過程中，不用擔(dān)憂木板是否在 做勻速直線運(yùn)動，只要使木板運(yùn)動，保證木板與木塊之間是滑動摩擦力就可以 了 然后測量出木塊的重力 G,貝劇摩擦因數(shù) 尸F(xiàn)f/G,即方案(2)具有可操作 性.方案(3):對沿木板做勻加速直線運(yùn)動的木塊受力分析， 根據(jù)牛頓第二定律列出 方程：mgsin 卩mgos 0= ma.再用秒表測出下滑的時間t，用刻度尺測出木塊1做勻加速直線運(yùn)動的位移x,那么x= 2at2.最后用刻度尺測出夾角0的對邊和鄰邊 的長度，求出sin 0和cos 0的大小，把以上各式聯(lián)立，就可以求出卩的大小.比擬方案(2)、方案(3)可知方案(3)中需要測量的物理量多，測量不方便，造成 的誤差較大，所以應(yīng)選擇方案(2).m1 + m2(4)g 2h(m2 m1)(1)BC(2)2.4