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(guò)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(shì)能面，如果忽略空氣阻力，下落過(guò)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(shuō)明，物體重力勢(shì)能的減少等于動(dòng)能的增加為了方便，可以直接1從開(kāi)始下落的0點(diǎn)至任意一點(diǎn)(如圖1中A點(diǎn))來(lái)進(jìn)行研究，這時(shí)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(shí)速度.三、實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，低壓交流電源，帶有鐵夾的鐵架臺(tái)，紙帶

2、，復(fù)寫紙，帶夾子的重打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(shí)器豎直固定在鐵 架臺(tái)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(guò)打 點(diǎn)計(jì)時(shí)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(shí)器 的地方先接通電源，后松開(kāi)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(shuō)明1 2 、(1) 用2mvn= mghn驗(yàn)證時(shí)，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(shí)，由于重力勢(shì)能的相對(duì)性，處理紙帶時(shí)，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(cè)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(gè)點(diǎn)，測(cè)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(guò)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(guò)程中要克服各種阻力(如空氣阻力、打點(diǎn)計(jì)時(shí) 器阻力)做功，故動(dòng)能的增加量AEk稍小于重力勢(shì)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(gè)誤差來(lái)源于長(zhǎng)度的測(cè)量，屬偶然誤差.減小誤差的方法是測(cè)下 落距離時(shí)都從0點(diǎn)量起，一次將各打點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下落高度測(cè)量完，或者屢次測(cè)量 取平均值來(lái)減小誤差.七、考前須知1. 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器要穩(wěn)定的固定在鐵架臺(tái)上，打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(duì)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(dòng)，且保證紙帶豎直，待接通電源，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器 工作穩(wěn)定后，再松開(kāi)紙帶.4測(cè)下落高度時(shí)，要從第一個(gè)打點(diǎn)測(cè)起，并且各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的下落高度要一次測(cè)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(huì)得出機(jī)械能增加的結(jié)論，而因?yàn)槟Σ磷枇Φ挠绊?，機(jī) 械能應(yīng)該減小，所以速度應(yīng)從紙帶上直接測(cè)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(cè)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(kāi)電源物后放.開(kāi)頭兩點(diǎn)兩毫米，從頭驗(yàn)證式容易.不管開(kāi)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(dòng)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(duì)兩種方案進(jìn)行了深入的討論分析，最終確定了一個(gè)大家認(rèn)為誤差 相 對(duì) 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(shí)間間隔為0.02 s,請(qǐng)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(qǐng)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(cè)定木塊與木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)，利用現(xiàn)有的器材：木板、木塊、 彈簧測(cè)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(dòng)， 并測(cè)出木塊、砂與砂桶的重力； (2)用手拉彈簧測(cè)力計(jì)保持其靜止、水平，然后 用力 F 拉木板向左運(yùn)動(dòng)，并讀出彈簧測(cè)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(cè)出下滑時(shí)間及相應(yīng)各長(zhǎng)度1.如果這三個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作正確無(wú)誤，測(cè)動(dòng)摩擦因數(shù)最準(zhǔn)確而且最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方案是.2試從實(shí)驗(yàn)原理上對(duì)每個(gè)方案作出簡(jiǎn)要分析和評(píng)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(shí)在頭腦中完整、準(zhǔn)確 地重現(xiàn)出來(lái)；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(gè)“多給了什么器材，注意“多給 的器材往往就是解決問(wèn)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(cè)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(cè)圖7量的物理量，來(lái)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(kāi)始下落，mi上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行 測(cè)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(gè)點(diǎn)，每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)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(gè)操作步驟： A 按照?qǐng)D示的裝置安裝器件B 將打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(cè)量紙帶上某些點(diǎn)間的距離E. 根據(jù)測(cè)量的結(jié)果，分別計(jì)算系統(tǒng)減少的重力勢(shì)能和增加的動(dòng)能，其中操作不當(dāng)?shù)牟襟E是填選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的字母.2在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v =m/s；3在打點(diǎn)05過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)能的增量 AEk=J,系統(tǒng)勢(shì)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(shuō)法中，正確的選項(xiàng)是()A 重物質(zhì)量的稱量不準(zhǔn)會(huì)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(huì)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(shuō) 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?，克服摩?力做的功就越少，誤差就越小B 實(shí)驗(yàn)時(shí)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(wú)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(shí)，可以直接利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(dòng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律時(shí)，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(shí)器連續(xù)打下的三個(gè)點(diǎn)， 該同學(xué)用毫米刻度尺測(cè)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(shí)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(dòng)來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，先計(jì)算出該段重物重力勢(shì)能的減少量為 ,接著從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第一個(gè)點(diǎn) 0數(shù)起，數(shù)到圖中B點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第9個(gè)點(diǎn)，他用VB = gt計(jì)算和B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的重物 的瞬時(shí)速度，得到動(dòng)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(shì)能的減少量 (填“大于或“小于)動(dòng)能的增加量，造成這一錯(cuò)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(shí)釋放物體，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打 A點(diǎn)時(shí)物體 速度大小為v，該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中稱：測(cè)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(tái)、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶，帶鐵夾的重錘、 天平答復(fù)以下問(wèn)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(gè)操作步驟：A 按照?qǐng)D示的裝置安裝器材B 將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出上C用天平測(cè)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(cè)量紙帶上某些點(diǎn)間的距離F根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重錘下落過(guò)程中減少的重力勢(shì)能是否等于增加的動(dòng)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(gè)原因)(4) 利用這個(gè)裝置也可以測(cè)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(gè)點(diǎn) A、B、C、D、E,測(cè)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(jiàn)解析 1.37 (3)9.75解析(1)甲 采用圖乙實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(guò)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(dòng)摩擦力的大小可直接從彈簧測(cè)力計(jì)讀出，與木板運(yùn)動(dòng)性質(zhì)無(wú)關(guān)時(shí)間、長(zhǎng)度的測(cè)量都會(huì)產(chǎn)生誤差，且測(cè)量過(guò)程和步驟較多1 平安：在三個(gè)方案中都不存在平安問(wèn)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(cè)力計(jì)測(cè)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(dòng)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(cè)力計(jì)靜止，木塊也靜止，拉動(dòng)木板運(yùn)動(dòng)時(shí)，木塊在水平方向上 受到彈簧測(cè)力計(jì)的拉力和木板的滑動(dòng)摩擦力作用而平衡，所以彈簧測(cè)力計(jì)的示 數(shù)等于滑動(dòng)摩擦力Ff的大小，而且在拉動(dòng)木板的過(guò)程中，不用擔(dān)憂木板是否在 做勻速直線運(yùn)動(dòng)，只要使木板運(yùn)動(dòng)，保證木板與木塊之間是滑動(dòng)摩擦力就可以 了 然后測(cè)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(duì)沿木板做勻加速直線運(yùn)動(dòng)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(cè)出下滑的時(shí)間t，用刻度尺測(cè)出木塊1做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移x,那么x= 2at2.最后用刻度尺測(cè)出夾角0的對(duì)邊和鄰邊 的長(zhǎng)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(cè)量的物理量多，測(cè)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