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1、第五单元机械能实验6验证机械能守恒定律见自学听讲P97实验目的验证机械能守恒定律。实验原理通过实验,求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量,若二者相等,说明机械能守恒,从而验证机械能守恒定律。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(带夹子)。实验步骤1.安装、准备:按图示装置把打点计时器安装在铁架台上,用导线把打点计时器与学生电源连接好。把纸带的一端用夹子固定在重物上,另一端穿过计时器的限位孔,用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。2.打纸带:先接通电源,后松开纸带,让重物带着纸带自由下落,这样打点计时器就在纸带上打下
2、了一系列点,更换纸带重复上述步骤做 35 次实验。3.选纸带:分两种情况来说明(1)用12mv2=mgh验证时,应选点迹清晰,且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带。若1、2两点间的距离大于2 mm,这是先释放纸带,后接通电源造成的。这样,第1个点就不是运动的起始点了,这样的纸带不能选。(2)用12mvB2-12mvA2=mgh验证时,由于重力势能的相对性,处理纸带时,应选择适当的点作为基准点,这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2 mm就无关紧要了,只要后面的点迹清晰就可选用。数据处理在起始点标上0,在以后各点依次标上1、2、3用刻度尺测出对应下落的高度h1、h2、h3利用公式vn
3、=hn+1-hn-12T计算出点1、点2、点3的瞬时速度v1、v2、v31.(2018山东烟台仿真模拟)如图所示,某同学想利用滑块在倾斜气垫导轨上的运动来验证机械能守恒定律。实验步骤如下:将长为L、原来已调至水平的气垫导轨的左端垫高H,在导轨上靠右侧的P点安装一个光电门;用20分度的游标卡尺测量滑块上遮光条的宽度d;接通气源及光电计时器,将滑块从导轨靠近左端某处自由释放。测得滑块通过光电门时的遮光时间为t。阅读上面的实验步骤回答下列问题:(1)实验中已知当地重力加速度为g,除上述步骤中测量的物理量之外,还需测量的物理量是。A.滑块的质量MB.气垫导轨的倾斜角度C.滑块释放处遮光条到光电门的距离
4、xD.滑块从开始运动至到达光电门所用的时间t(2)请用题中所给的物理量及第(1)问中所选的物理量写出本实验验证机械能守恒的表达式。解析(1)物块经过P点时的速度v=dt,斜面的倾角为,且sin =HL,由机械能守恒定律,有Mgxsin =12Mv2,还需测量的物理量是滑块释放处遮光条到光电门的距离x。(2)根据(1)可知需要验证的表达式为2gxH=d2(t)2L。答案(1)C(2)2gxH=d2(t)2L2.(2018辽宁沈阳六校联考)某同学用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”。实验的主要步骤如下:调整气垫导轨使之水平;用天平测量滑块(含遮光条)质量并记录为M;测量遮光条宽度并记录为d;将
5、滑块放在气垫导轨上,通过轻质细绳与钩码连接,记录钩码的总质量为m;将滑块从A位置释放后,光电计时器测量遮光条通过光电门的时间并记录为t;对测量数据进行分析,得出实验结论。请回答下列问题:(已知当地的重力加速度大小为g)(1)若步骤用螺旋测微器测量遮光条宽度d的示数情况如图乙所示,则d=mm,步骤中光电计时器记录的时间t=4.1010-3 s,滑块经过光电门时的速度大小为m/s。(2)本实验中还需要测量的物理量有(写出物理量及符号)。(3)本实验中需验证的机械能守恒表达式为(用以上对应物理量的符号表示)。(4)实验数据表明系统动能的增加量明显大于重力势能的减少量,可能的原因是。A.钩码总质量m远
6、小于滑块质量M B.钩码总质量m与滑块质量M相差不大C.气垫导轨没有调水平,且左高右低D.气垫导轨没有调水平,且左低右高解析(1)螺旋测微器的固定刻度示数为5.5 mm,可动刻度示数为24.00.01 mm=0.240 mm,则h=5.740 mm。根据极短时间内的平均速度等于瞬时速度知,滑块经过光电门的速度v=dt=1.4 m/s。(2)为了求出运动过程中钩码减少的重力势能,则需要测量A、B间的距离s。(3)我们验证的是Ep与Ek的关系,即验证Ep=Ek,代入得mgs=12(M+m)v2;而v=dt,所以本实验中验证机械能守恒的表达式为mgs=12(M+m)dt2。(4)如果实验结果表明系统
7、动能的增加量大于重力势能的减少量,则可能是气垫导轨不水平造成的,气垫导轨倾斜后,由于滑块的重力势能的增加或减少没有记入,故增加的动能和减少的重力势能不相等,若左侧高,系统动能增加量大于重力势能减少量,若右侧高,系统动能增加量小于重力势能减少量,故C项正确,A、B、D三项错误。答案(1)5.7401.4(2)A、B间的距离s(3)mgs=12(M+m)dt2(4)C见自学听讲P98一实验原理与操作(1)在“验证机械能守恒定律”的实验中应控制实验条件,使运动过程满足机械能守恒的条件,尽量减小各种阻力的影响,可采取以下措施:安装打点计时器时,必须使两个限位孔的中线严格竖直,以减小摩擦阻力。选用质量和
8、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。释放纸带前要保持纸带竖直、静止不动,先接通电源,待打点计时器工作稳定后再释放纸带。(2)实验过程中,重力势能的减少量Ep=mghn,动能的增加量Ek=12mvn2,mghn=12mvn2成立可验证机械能守恒定律,本实验可以不测量重物的质量。(3)速度的计算:打下某计数点时重物的瞬时速度不能用vn=gtn或vn=2ghn计算,因为确认重物下落的加速度为重力加速度g,即确认重物做自由落体运动,自由落体运动过程中机械能当然守恒。例1某同学为验证机械能守恒定律设计了如下实验步骤:A.用天平称出重物的质量B.把纸带固
9、定到重物上,并让纸带穿过打点计时器,提升到一定高度C.拆掉导线,整理仪器D.断开电源,调整纸带,重做两次E.用秒表测出重物下落的时间F.用毫米刻度尺测出计数点与起点的距离,记录数据,并计算出结果,得出结论G.把打点计时器接到低压交流电源上H.接通电源,释放纸带I.把打点计时器固定到桌边的铁架台上上述实验步骤中错误的或没必要的是,其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是。(均只需填步骤的代号)解析对于物理实验,掌握实验原理和操作方法是最基本的要求。只有掌握了实验原理,才能判断出实验步骤中哪些是错误的,哪些是必要的;只有亲自动手进行认真的操作,才能正确地对实验步骤按顺序排列。上述实验步骤中错误的或
10、没有必要的实验步骤是A和E。其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是:IGBHDCF。答案AEIGBHDCF二数据处理与误差分析1.实验数据处理(1)以速度为零的点为起始点验证:利用第1个点(速度为零)和第n个点数据,测出两点间距h,算出打下第n个点时重物的速度v,如果在实验误差允许的范围内,有mgh=12mv2,则说明实验过程中机械能守恒。(2)以速度不为零的点为起始点验证:任取两点A、B测出hAB,算出vA、vB,如果在实验误差允许的范围内,有mghAB=12mvB2-12mvA2,则说明实验过程中机械能守恒。(3)图象验证:从纸带上选取多个点,测量从第一个点到其余各点下落的高度h,并计算
11、打下各点时重物的速度的二次方v2,然后以12v2为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出12v2-h 图线。若在误差允许的范围内图象是一条过原点且斜率为g的直线,则说明实验过程中机械能守恒。2.误差分析(1)因空气阻力及摩擦阻力的存在,实验产生系统误差:本实验中,由于重物和纸带在下落过程中要克服空气阻力、打点计时器对纸带的摩擦阻力做功,因此动能的增加量Ek稍小于重力势能的减少量Ep,即Ek”“=”或“m。(2)实验中需要控制重力做功一定,才能研究速度v与质量M的关系,则需要保证下降高度一定。(3)因为刚开始弹簧被压缩后的弹力为mg,最后弹簧被拉伸的弹力为mg,所以弹性势能始末状态相同,即kx=mg,则有12(M+m)v2=(M-m)g(2x),变式为v2=-8mg(x)1M+m+4gx,则为得到线性关系图线,应作出v2-1M+m图线。(4)当1M+m=0时,有b=4gx,联立mg=kx可得k=4mg2b。答案(1)大于(2)相同(3)v2-1M+m(4)4mg2b