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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,试验六,验证机械能守恒定律,1/76,【,试验目标,】,验证机械能守恒定律。,2/76,【,试验原理,】,1.,在只有重力做功自由落体运动中,物体重力势能,和动能相互转化,但总机械能保持不变。若物体某时,刻瞬时速度为,v,下落高度为,h,则重力势能降低许为,mgh,动能增加量为,mv,2,看它们在试验误差允许,范围内是否相等,若相等则验证了机械能守恒定律。,3/76,2.,计算打第,n,个点时速度方法,:,如图所表示,由公式可得,第,n,个点速度,v,n,=,。,4/76,【,试验器材,】,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,),。,5/76,【,试验过程,】,1.,安装置,:,按图示将调整好打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。,6/76,2.,打纸带,:,将纸带一端用夹子固定在重物上,另一端穿过打点计时器限位孔用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器地方。先接通电源,后松开纸带,让重物带着纸带自由下落,更换纸带重复做,3,5,次试验。,7/76,3.,选纸带,:,在打好点纸带中挑选点迹清楚一条纸带,在起点标上,0,以后各点依次标上,1,、,2,、,3,、,4,、,用刻度尺测出对应下落高度,h,1,、,h,2,、,h,3,、,h,4,8/76,【,数据处理,】,1.,求瞬时速度,:,由公式,v,n,=,能够计算出重物下,落,h,n,高度时对应瞬时速度,v,n,。,9/76,2.,验证守恒,:,方法一,:,利用起始点和第,n,点计算。,代入,mgh,n,和 假如在试验误差允许条件下,mgh,n,和 相等,则验证了机械能守恒定律。,10/76,方法二,:,任取两点计算。,(1),任取两点,A,、,B,测出,h,AB,算出,mgh,AB,。,(2),算出 值。,(3),在试验误差允许条件下,若,mgh,AB,=,成立,则验证了机械能守恒定律。,11/76,方法三,:,采取图象法。,从纸带上选取多个点,测量从第一点到其余各点下落,高度,h,并计算各点速度平方,v,2,然后以,v,2,为纵轴,以,h,为横轴,依据试验数据绘出,v,2,-h,图线。若在误差,允许范围内图象是一条过原点且斜率为,g,直线,则,验证了机械能守恒定律。,12/76,【,误差分析,】,误差,产生原因,减小方法,偶然,误差,测量长度带来误差,(1)测量距离时就应从计数0点量起,且选取计数点离0点远些,(2)屡次测量取平均值,系统,误差,重物和纸带下落过程中存在空气阻力和摩擦阻力,(1)打点计时器安装稳固,并使两限位孔在同一竖直线上,以减小摩擦阻力,(2)选取质量大、体积小物体作重物,以减小空气阻力影响,13/76,【,注意事项,】,1.,安装打点计时器时要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直线上以减小摩擦阻力。,2.,重物应选取质量和密度较大、体积较小物体以减小空气阻力影响。,3.,应先接通电源,让打点计时器正常工作后,再松开纸带让重物下落。,14/76,4.,纸带长度选取,60 cm,左右为宜,应选取点迹清楚纸带进行测量。,15/76,5.,速度不能用,v,n,=gt,n,计算,因为只要认为加速度为,g,机,械能当然守恒,即相当于用机械能守恒定律验证机械能,守恒定律。况且用,v,n,=gt,n,计算出速度比实际值大,会,得出机械能增加结论,而因为摩擦阻力影响,机械,能应该减小,所以速度应从纸带上直接测量计算。一样,16/76,道理,重物下落高度,h,也只能用毫米刻度尺直接测,量,而不能用,h,n,=,或,h,n,=gt,2,计算得到。,6.,本试验无须称出重物质量。,17/76,热点一对试验数据处理和误差分析考查,【,典例,1】,(,北京高考,),利用图甲装置做“验证机械能守恒定律”试验。,导学号,04450127,18/76,(1),为验证机械能是否守恒,需要比较重物下落过程中任意两点间,_,。,A.,动能改变量与势能改变量,B.,速度改变量和势能改变量,C.,速度改变量和高度改变量,19/76,(2),除带夹子重物、纸带、铁架台,(,含铁夹,),、电磁打点计时器、导线及开关外,在以下器材中,还必须使用两种器材是,_,。,A.,交流电源,B.,刻度尺,C.,天平,(,含砝码,),20/76,(3),试验中,先接通电源,再释放重物,得到图乙所表示一条纸带。在纸带上选取三个连续打出点,A,、,B,、,C,测得它们到起始点,O,距离分别为,h,A,、,h,B,、,h,C,。,已知当地重力加速度为,g,打点计时器打点周期为,T,。设重物质量为,m,。从打,O,点到打,B,点过程中,重物重力势能改变量,E,p,=_,动能改变量,E,k,=_,。,21/76,22/76,(4),大多数学生试验结果显示,重力势能降低许大于动能增加量,原因是,_,。,A.,利用公式,v=gt,计算重物速度,B.,利用公式,v=,计算重物速度,C.,存在空气阻力和摩擦阻力影响,D.,没有采取屡次试验取平均值方法,23/76,(5),某同学想用下述方法研究机械能是否守恒,:,在纸带上选取多个计数点,测量它们到起始点,O,距离,h,计算对应计数点重物速度,v,描绘,v,2,-h,图象,并做以下判断,:,若图象是一条过原点直线,则重物下落过程中机械能守恒。请你分析论证该同学判断依据是否正确。,24/76,【,解题指导,】,(1),命题立意,:,本题意在考查验证机械能守恒定律数据处理及误差分析。,(2),解题关键,:,某点瞬时速度计算,:,匀变速直线运动中间时刻速度等于这段时间内平均速度。,25/76,E,p,E,k,原因,:,除重力做功以外还有空气阻力和摩擦阻力做负功。,v,2,-h,图象斜率意义,:,若机械能守恒,图象斜率为,2g;,若机械能不守恒,图象斜率小于,2g,。,26/76,【,规范解答,】,(1),由机械能守恒定律可知,需要比较重物下落过程中任意两点间动能改变量与势能改变量大小是否相等,A,正确。,27/76,(2),电磁打点计时器使用是交流电源,选,A,。因为在计,算重力势能改变量时,需要测量纸带上两点之间距离,所以还需要刻度尺,选,B,。依据,mgh=mv,2,-0,可知不需,要使用天平。,28/76,(3),重力势能改变量为,E,p,=-mgh,B,因为下落过程是匀,加速直线运动,所以依据中间时刻速度等于这段时间,内平均速度可得,B,点速度为,v,B,=,所以动能,改变量,E,k,=,29/76,(4),试验过程中存在空气阻力,纸带运动过程中存在摩,擦阻力,C,正确。,(5),该同学判断依据不正确,在重物下落,h,过程中,若阻力,f,恒定,依据,mgh-fh=mv,2,-0v,2,=2(g-)h,可,知,v,2,-h,图象就是过原点一条直线。要想经过,v,2,-h,图,象方法验证机械能是否守恒,还必须看图象斜率是,否靠近,2g,。,30/76,答案,:,(1)A,(2)A,、,B,(3)-mgh,B,m(),2,(4)C,(5),该同学判断,依据不正确,理由见规范解答,31/76,【,强化训练,】,(,天津高考,),如图所表示,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。,32/76,(1),对于该试验,以下操作中对减小试验误差有利是,_,。,A.,重物选取质量和密度较大金属锤,B.,两限位孔在同一竖直面内上下对正,C.,准确测量出重物质量,D.,用手托稳重物,接通电源后,撤手释放重物,33/76,(2),某试验小组利用上述装置将打点计时器接到,50 Hz,交流电源上,按正确操作得到了一条完整纸带,由,于纸带较长,图中有部分未画出,如图所表示。纸带上各,点是打点计时器打出计时点,其中,O,点为纸带上打出,第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间距,离直接测出,利用以下测量值能完成验证机械能守恒定,律选项有,_,。,34/76,A.OA,、,AD,和,EG,长度,B.OC,、,BC,和,CD,长度,C.BD,、,CF,和,EG,长度,D.AC,、,BD,和,EG,长度,35/76,【,解析,】,(1),重物选取质量和密度较大金属锤,降低,空气阻力,以减小误差,故,A,正确,;,两限位孔在同一竖直,面内上下对正,减小纸带和打点计时器之间阻力,以,减小误差,故,B,正确,;,验证机械能守恒定律原理是,:,mgh=,重物质量能够约去,无需准确测量出,重物质量,故,C,错误,;,用手拉稳纸带,而不是托住重物,接通电源后,松手释放纸带,故,D,错误。,36/76,(2),由,EG,长度可求出打,F,点速度,v,2,打,O,点速度,v,1,=,0,但求不出,OF,之间距离,h,故,A,错误,;,由,BC,和,CD,长度,可求出打,C,点速度,v,2,打,O,点速度,v,1,=0,由,OC,之间,距离,h,能够验证机械能守恒定律,故,B,正确,;,由,BD,和,EG,长度可分别求出打,C,点速度,v,1,和打,F,点速度,v,2,由,CF,之间距离,h,能够验证机械能守恒定律,故,C,正确,;,由,AC,、,37/76,BD,和,EG,长度可分别求出打,B,、,C,、,F,三点速度,但,BC,、,CF,、,BF,之间距离都无法求出,无法验证机械能守恒定律,故,D,错误。,答案,:,(1)A,、,B,(2)B,、,C,38/76,【,反思归纳,】,数据处理两种方法,(1),计算法,:,经过计算重力势能降低许与动能增量是否相等验证机械能守恒定律时,注意重力加速度取值和有效数字保留。,39/76,(2),图象法,:,经过图象验证机械能是否守恒,要依据机械,能守恒定律写出图象对应函数表示式,搞清图象斜率,物理意义,如,v,2,-h,图象、,v,2,-h,图象、,v,2,-2h,图象,根,据图象计算出重力加速度,计算结果与当地重力加速度,比较,依据二者是否在误差允许范围内相等判断机械,能是否守恒。,40/76,热点二对试验迁移应用考查,【,典例,2】,(,全国卷,),某物理小组对轻弹簧,弹性势能进行探究,试验装置如图甲所表示。轻弹簧放,置在光滑水平桌面上,弹簧左端固定,右端与一物块接,触而不连接,纸带穿过打点计时器并与物块连接。向,41/76,左推物块使弹簧压缩一段距离,由静止释放物块,经过测量和计算,可求得弹簧被压缩后弹性势能。导学号,04450128,42/76,(1),试验中包括以下操作步骤,:,把纸带向左拉直松手释放物块接通打点计时器电源向左推物块使弹簧压缩,并测量弹簧压缩量,上述步骤正确操作次序是,_(,填入代表步骤序号,),。,43/76,(2),图乙中,M,和,L,纸带是分别把弹簧压缩到不一样位置后所,得到实际打点结果。打点计时器所用交流电频率,为,50 Hz,。由,M,纸带所给数据,可求出在该纸带对应,试验中物块脱离弹簧时速度为,_m/s,。比较两,纸带可知,_(,选填“,M”,或“,L”),纸带对应,试验中弹簧被压缩后弹性势能大。,44/76,45/76,【,规范解答,】,(1),试验中操作步骤为首先向左推物块使弹簧压缩,并测量弹簧压缩量。在利用纸带打点之前,先把纸带向左拉直。为了使纸带上点能统计物块运动情况,应先接通打点计时器电源,再松手释放物块。所以试验操作步骤为。,46/76,(2),脱离弹簧后物块做匀速直线运动,则纸带,M,运动末,速度,v,M,=10,-2,m/s=1.29 m/s,纸带,L,运动,末速度,v,L,=10,-2,m/s=0.77 m/s,。由动能定理,可知,松手释放物块后,弹性势能完全转化为动能,所以,物块末动能越大,则弹簧被压缩后弹性势能越大,则,E,pM,E,pL,。,答案,:,(1),(2)1.29,M,47/76,【,强化训练,】,(,太原模拟,),在“探究弹性势能表示式”试验中。,(1),某同学用游标卡尺测量与弹簧相连小球直径如图所表示,则小球直径,D=_cm,。,48/76,(2),某同学找来一根弹簧套在光滑细杆上,细杆两端固,定在竖直固定挡板上。小球与弹簧相连,在弹簧自,然长度位置前、后两侧分别放置一激光光源与光敏电,阻,如图甲所表示。光敏电阻与某一自动统计仪相连,某,时刻把小球拉离平衡位置,(,自然长度所处位置,),后由静,止释放,小球将在平衡位置两侧做往复运动。该仪器,49/76,显示光敏电阻值,R,随时间,t,改变图线如图乙所表示,则小球经过平衡位置时速度为,_(,用图中或题中所给字母表示,),。,50/76,(3),若小球质量为,m,则小球在做往复运动过程中,弹簧最大弹性势能约为,_(,用图中或题中所给字母表示,),。,51/76,【,解析,】,(1),游标卡尺固定刻度读数为,7 mm,可动,刻度读数为,0.0510 mm=0.50 mm,则读数为,7 mm+,0.50 mm=7.50 mm=0.750 cm,。,(2),依据极短时间内平均速度等于瞬时速度知,小球,经过平衡位置速度,v=,。,52/76,(3),依据机械能守恒定律得,弹簧最大弹性势能,E,p,=mv,2,=,答案,:,(1)0.750,(2),(3),53/76,【,反思归纳,】,弹簧系统机械能守恒迁移应用,(1),判断弹簧压缩量,:,可依据弹性势能转化动能大小判断。,(2),计算弹性势能,:,经过计算物体动能改变量,依据机械能守恒求出弹簧弹性势能。,54/76,(3),求解弹簧劲度系数,:,测出弹簧形变量,x,以及弹簧形变过程物体取得动能,画出弹簧弹力随形变量,x,改变图象,由图象与横轴围成面积意义求出劲度系数。,55/76,热点三试验拓展与创新,【,典例,3】,(,江苏高考,),某同学用如图甲所表示装,置验证机械能守恒定律。一根细线系住钢球,悬挂在铁,架台上,钢球静止于,A,点。光电门固定在,A,正下方,在,钢球底部竖直地粘住一片宽度为,d,遮光条。将钢球拉,至不一样位置由静止释放,遮光条经过光电门挡光时间,56/76,t,可由计时器测出,取,v=,作为钢球经过,A,点时速度。统计钢球每次下落高度,h,和计时器示数,t,计算并比较钢球在释放点和,A,点之间势能改变大小,E,p,与动能改变大小,E,k,就能验证机械能是否守恒。,导学号,04450129,57/76,58/76,(1),用,E,p,=mgh,计算钢球重力势能改变大小,式中钢球下落高度,h,应测量释放时钢球球心到,_,之间竖直距离。,A.,钢球在,A,点时顶端,B.,钢球在,A,点时球心,C.,钢球在,A,点时底端,59/76,(2),用,E,k,=mv,2,计算钢球动能改变大小,用刻度尺,测量遮光条宽度,示数如图乙所表示,其读数为,_cm,。,某次测量中,计时器示数为,0.010 0 s,则钢球速度,为,v=_m/s,。,60/76,(3)如表所表示为该同学试验结果:,E,p,/10,-2,J,4.892,9.786,14.69,19.59,29.38,E,k,/10,-2,J,5.04,10.1,15.1,20.0,29.8,61/76,他发觉表中,E,p,与,E,k,之间存在差异,认为这是因为空气阻力造成。你是否同意他观点,?,请说明理由。,(4),请你提出一条减小上述差异改进提议。,62/76,【,创新方向分析,】,(1),试验器材变迁,:,试验器材由打点计时器和纸带换为光电门和遮光条。,(2),试验原理变迁,:,由自由落体法变为竖直面内圆周运动。,63/76,(3),试验数据处理变迁,:,瞬时速度计算由中间时刻瞬时速度等于这段时间平均速度变为瞬时速度定义计算。,64/76,【,规范解答,】,(1),将钢球视为质点,所以钢球下落高度,h,应测量释放时钢球球心到钢球在,A,点时球心距离。,(2),从图中读出遮光条宽度为,1.50 cm(1.49 cm,1.51 cm,都算对,),。速度,v=1.50 m/s,。,(3),试验中若有空气阻力作用,会造成,E,k,小于,E,p,所,以该同学观点是错误。,65/76,(4),分别测出光电门和球心到悬点长度,L,和,l,计算,E,k,时,将,v,折算成钢球速度,v=,。,66/76,答案,:,(1)B,(2)1.50(1.49,1.51,都算对,),1.50,(3),不一样意,因为空气阻力会造成,E,k,小于,E,p,但表中,E,k,大于,E,p,。,(4),分别测出光电门和球心到悬点长度,L,和,l,计算,E,k,时,将,v,折算成钢球速度,v=,。,67/76,【,强化训练,】,(,商丘模拟,),小明同学利用如图所表示装置来验,证机械能守恒定律。,A,为装有挡光片钩码,总质量为,M,挡光片挡光宽度为,b,轻绳一端与,A,相连,另一端跨过,光滑轻质定滑轮与质量为,m(mM),重物,B,相连。他做,法是,:,先用力拉住,B,保持,A,、,B,静止,测出,A,挡光片上端,68/76,到光电门距离,h;,然后由静止释放,B,A,下落过程中经过光电门,光电门可测出挡光片挡光时间,t,算出挡光片经过光电门平均速度,将其视为,A,下落,h(h,b),时速度,重力加速度为,g,。,69/76,(1),在,A,从静止开始下落,h,过程中,验证以,A,、,B,、地球,所组成系统机械能守恒定律表示式为,_,_(,用题目所给物理量符号表示,),。,70/76,(2),因为光电门所测平均速度与物体,A,下落,h,时瞬时速度间存在一个差值,v,因而系统降低重力势能,_(,选填“大于”或“小于”,),系统增加动能。,71/76,(3),为减小上述,v,对结果影响,小明同学想到了以下一些做法,其中可行是,_,。,A.,保持,A,下落初始位置不变,测出多组,t,算出多个平均速度然后取平均值,B.,减小挡光片上端到光电门距离,h,C.,增大挡光片挡光宽度,b,D.,适当减小挡光片挡光宽度,b,72/76,(4),若采取本装置测量当地重力加速度,g,则测量值,_(,选填“大于”“等于”或“小于”,),真实值。,73/76,【,解析,】,(1),系统重力势能减小量为,E,p,=(M-m)gh,A,经过光电门瞬时速度为,v=,则系统动能增加,量为,E,k,=(M+m)v,2,=(M+m),则机械能守恒,表示式为,(M-m)gh=(M+m),。,74/76,(2),光电门测出平均速度是挡光片经过光电门过程中中间时刻瞬时速度,此时下降高度小于,h,则系统降低重力势能大于系统增加动能。,(3),为减小上述,v,对结果影响,能够减小挡光片宽度,使得平均速度更靠近瞬时速度,故,D,正确。,(4),因为阻力影响,重力加速度测量值小于真实值。,75/76,答案,:,(1)(M-m)gh=(M+m),(2),大于,(3)D,(4),小于,76/76,
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