第五部分驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律1.知道實(shí)驗(yàn)的基本原理、方法和注意事項(xiàng)。2.可以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、討論和誤差分析。使用自由落體運(yùn)動(dòng)可以確認(rèn)機(jī)械能守恒定律。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯课矬w運(yùn)動(dòng)中動(dòng)能和勢能的變化，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。二、實(shí)驗(yàn)原理和方法為了只作用重力的情況，研究運(yùn)動(dòng)過程，比較物體的重力勢能變化量和動(dòng)能變化， ep=- ek。如果滿意，說明機(jī)械能守恒。比較運(yùn)動(dòng)中兩種狀態(tài)的機(jī)械能。如果ek1 ep1=ek2 ep2滿足，還將說明機(jī)械能守恒。兩種設(shè)計(jì)方案(1)方案i如果做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體的下落高度為h時(shí)速度，則物體的重力勢能減少量為mgh，動(dòng)能增加量為mv2，mgh=mv2，gh=v2，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。實(shí)驗(yàn)中，高度h和速度v通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器得出的磁帶測量值計(jì)算。(2)方案ii使用鐘擺和dis設(shè)備驗(yàn)證機(jī)械能守恒，將dis設(shè)備的光電門放在a、b、c、d每個(gè)點(diǎn)上，并測量每個(gè)點(diǎn)的速度，如圖所示。測量每個(gè)點(diǎn)處d的高度。使用結(jié)果數(shù)據(jù)驗(yàn)證是否保留了機(jī)械能。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備場景1:打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和電源、鐵架(鐵夾)、膠帶、鉤弦、長度、夾子。方案2: dislab實(shí)驗(yàn)用具組、鐵架、單擺、細(xì)線、鉛筆、附有方紙的木板、長度。四、實(shí)驗(yàn)階段案例1(1)如圖所示，將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝在鋼架上，將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器連接到電源。(2)將磁帶的一端和掛鉤代碼固定在夾子上，另一端通過計(jì)時(shí)器限位孔用手垂直提起磁帶，將插銷固定在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近。(3)先打開電源，然后松開手，使鉤子隨磁帶自由下落。(4)重復(fù)幾次，得到3-5卷印得很好的紙帶。(。(5)從精制的紙帶中選擇一個(gè)點(diǎn)跟蹤明顯的磁帶，在起點(diǎn)標(biāo)記o，在后續(xù)點(diǎn)依次標(biāo)記1、2、3，測量下落高度h1、h2、h3等，計(jì)算相應(yīng)的重力勢能減少量mghn。(6)應(yīng)用vn=公式以計(jì)算每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度，并計(jì)算相應(yīng)的動(dòng)能mv。(7)比較mv和mghn是否在誤差范圍內(nèi)。案例2(1)如圖所示，在鐵架末端用鐵架懸掛了擺錘。(2)在卦線上決定4 5個(gè)點(diǎn)作為測量點(diǎn)。(3)單獨(dú)安裝光纖傳感器并連接到數(shù)據(jù)收集器。(4)使球在特定高度向下擺動(dòng)，在擺動(dòng)過程中分別測量任意時(shí)刻的動(dòng)能和重力勢能。(5)研究各個(gè)測量點(diǎn)的機(jī)械能總量具有哪些特性。五、數(shù)據(jù)處理賦值數(shù)據(jù)計(jì)算比較(1) ep=mgh， ek=mv2，比較gh和v2在錯(cuò)誤范圍內(nèi)是否相等；(2) ep=mg (h2-h1)， ek=m (v-v)，g (h2-h1)和(v-v)在誤差范圍內(nèi)是否相等。v2-h圖像，用于分析曲線如同滿足機(jī)械能量保留，從靜態(tài)下降時(shí)，mgh=mv2，因此v2=2gh。其中，2g是常量，因此v2-h圖形線必須是其斜率的一半是區(qū)域重力加速度，生成的圖像必須是經(jīng)過原點(diǎn)的傾斜直線，如圖所示。六、注意事項(xiàng)案例1(1)要最大限度地控制實(shí)驗(yàn)條件，使裝置滿足機(jī)械能守恒條件，為此，必須采取以下措施：安裝時(shí)將限位孔放在與膠帶相同的垂直平面上。要挑選質(zhì)量和密度更大的重物。(2)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，首先要打開電源，然后松開磁帶。(3)磁帶選擇原則正確的痕跡。適當(dāng)?shù)拈g隔(可以丟棄以開始集中的部分)。(4)不需要計(jì)算動(dòng)能和重力勢能的具體值，因此不需要測量物體的質(zhì)量。(5)計(jì)算速度時(shí)，不能使用v=gt或v=。否則，使用機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證機(jī)械能守恒的錯(cuò)誤。(6)測量下落高度時(shí)，為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，后面的點(diǎn)要遠(yuǎn)離起點(diǎn)o，測量各點(diǎn)到o點(diǎn)的距離時(shí)，要同時(shí)讀取各點(diǎn)到o點(diǎn)的距離。案例2(1)進(jìn)行球運(yùn)動(dòng)時(shí)，要確保其軌跡在垂直面內(nèi)，避免圓錐的擺錘運(yùn)動(dòng)。(2)有掛線的木板要垂直調(diào)整。(3)為了在每個(gè)位置準(zhǔn)確測量球的瞬時(shí)速度，可以在球的下部放置扣環(huán)，使固定器位于垂直面內(nèi)。七、錯(cuò)誤分析這次實(shí)驗(yàn)中，在重物和紙帶掉落的過程中，必須克服各種阻力(空氣阻力、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器阻力)，因此動(dòng)能的增加量mv2比重力勢能的減少量mgh略小，這是系統(tǒng)誤差。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)錯(cuò)誤原因是長度測量，偶然的錯(cuò)誤。另外，如果交流的頻率變化，實(shí)驗(yàn)也可能出現(xiàn)偶然的誤差。實(shí)驗(yàn)原理和操作使用圖a所示的實(shí)驗(yàn)裝置確認(rèn)機(jī)械能守恒定律。(1)要減少由_ _ _ _ _ _ _ _ _ _引起的錯(cuò)誤，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的兩個(gè)限位孔中心連接必須位于一條垂直線上。(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先選擇_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _(選擇“釋放磁帶”或“打開打點(diǎn)計(jì)時(shí)器”)(3)圖b是實(shí)驗(yàn)磁帶，其中a、b、c、d、e、f和g是連續(xù)的7個(gè)點(diǎn)。jamer驗(yàn)證與b點(diǎn)和f點(diǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)械能是否相同，并輕松處理數(shù)據(jù)，方法是_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _兩點(diǎn)之間的距離，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _點(diǎn)(4)如果錘質(zhì)量為0.200 kg，則b，f之間的距離為12.00 cm，g為9.8 m/s2。b到f的下落過程中，錘重力潛力的減少量ep=_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j(計(jì)算結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。分析 (1)為了減少膠帶和限位孔之間摩擦產(chǎn)生的錯(cuò)誤，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的兩個(gè)限位孔中心連接必須位于豎直線上。(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)，要打開打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，等待打點(diǎn)穩(wěn)定下來，然后松開磁帶。(3)實(shí)驗(yàn)必須計(jì)算點(diǎn)b和f的速度，并測量a和c兩點(diǎn)之間的距離以及e和g兩點(diǎn)之間的距離。(4)錘從b點(diǎn)到f點(diǎn)下落時(shí)重力勢能的減少量ep=mgh bf=0 . 2009 . 80 . 12j0 . 235j回答 (1)磁帶和限位孔之間的摩擦(2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器斷電磁帶(3)a，c e，g (4)0.235對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)驗(yàn)原理和操作方法是最基本的要求。只有掌握實(shí)驗(yàn)原理，才能判斷實(shí)驗(yàn)階段中有什么不對(duì)，需要什么。只有親自動(dòng)手，才能正確地按順序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)階段。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和處理一名學(xué)生用圖a中所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的功率頻率為50 hz，區(qū)域重力加速度大小為g=9.80m/s2。實(shí)驗(yàn)中該學(xué)生獲得的一個(gè)點(diǎn)的痕跡如圖b所示，紙帶的第一個(gè)點(diǎn)為o，其他三個(gè)點(diǎn)a、b和c分別連續(xù)測量，顯示了從這三個(gè)點(diǎn)到o點(diǎn)的距離ha、hb、hc的值。回答以下問題(計(jì)算結(jié)果保留3位有效數(shù)字):(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器擊中b點(diǎn)時(shí)的重物速度大小vb=_ _ _ _ _ _ _ m/s；(2)分析了該東學(xué)測定的實(shí)驗(yàn)資料，驗(yàn)證了他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)機(jī)械能守恒定律嗎？請(qǐng)簡述分析的基礎(chǔ)。分析 (1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器擊中b點(diǎn)時(shí)重對(duì)象速度的大小vb=m/s=3.90m/s(2)v-7.61(m/s)2，ghb-7.70(m/s)2，mv-mghb，近似驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，或從mv mghb得出其他合理結(jié)論請(qǐng)參閱回答 (1)3.90 (2)分析驗(yàn)證機(jī)械能守恒的時(shí)候，只要確認(rèn)gh在v2和誤差允許的范圍內(nèi)是否相等即可。綜合創(chuàng)新變形“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)可以利用圖中所示的甲或乙安進(jìn)行。甲安是用自由落體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，乙安是用斜坡和汽車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。(1)比較兩個(gè)方案時(shí)，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _(“甲”或“_ _ _ _ _ _ _”)_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _(2)度c是測量兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間距離的實(shí)驗(yàn)結(jié)果磁帶，如圖c所示，每兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔t=0.1 s， 物體運(yùn)動(dòng)的加速度a=_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 是通過編寫_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _通過實(shí)驗(yàn)程序獲得的_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _分析 (1)機(jī)械能守恒條件是只有重力起作用，在實(shí)際運(yùn)行情況下，摩擦力越小越好。(2)a=4.8m/s2。因?yàn)閍比g小得多，傾斜汽車的滑動(dòng)加速度，所以這個(gè)磁帶是利用圖b所示的實(shí)驗(yàn)程序獲得的。答案 (1) a是摩擦阻力小、誤差小、操作容易，使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備少，因此(2)4.8 m/s2 b是因?yàn)槲矬w的運(yùn)動(dòng)加速度比重力加速度小得多實(shí)驗(yàn)程序的選擇遵循以下原則：(多選擇)一名學(xué)生進(jìn)行了驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)，下一步是正確的。()a.將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在鋼架上，用電線連接到低壓交流電源b.通過限制孔將裝有重物的紙帶舉到一定高度c.首先松開磁帶，然后打開電源d.替換磁帶，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)記錄處理數(shù)據(jù)分析：選擇abd。根據(jù)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)要求，首先要開機(jī)，使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器穩(wěn)定工作，然后松開磁帶，所以c選項(xiàng)不對(duì)，a，b，d都符合實(shí)驗(yàn)要求。為了用下落法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)，可以通過打擊點(diǎn)計(jì)時(shí)器，拍攝一系列點(diǎn)，測量紙繩點(diǎn)，分析計(jì)算，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。實(shí)驗(yàn)時(shí)，以下設(shè)備是不必要的()a.重物b .秒表c.膠帶d .標(biāo)尺分析：b .打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打的磁帶本身記錄了重物落下到一定程度時(shí)的時(shí)間，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)不需要秒表。3.在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)中，以下物理量中需要直接測量的是()a.重物的質(zhì)量b.重力加速度c.重物落下的高度d.重物從特定高度落下的瞬間速度分析：c .重物的質(zhì)量不需要測量。重力加速度是已知的。必須測量重物下落的高度。瞬時(shí)速度