第六節(jié)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。2．進(jìn)一步熟悉打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用。實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、重物(帶夾子)、紙帶、刻度尺、交流電源、天平、砝碼。實(shí)驗(yàn)原理讓帶有紙帶的重物自由下落，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄重物下落過程中的運(yùn)動(dòng)情況。選取紙帶上的某點(diǎn)作為高度的起點(diǎn)，量出紙帶上其他點(diǎn)相對(duì)該點(diǎn)的距離作為高度。用天平稱出重物的質(zhì)量，算出重物經(jīng)過這些點(diǎn)的重力勢(shì)能。再計(jì)算重物經(jīng)過這些點(diǎn)的瞬時(shí)速度，算出動(dòng)能。最后，通過比較重物經(jīng)過這些點(diǎn)的機(jī)械能，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)步驟1．測(cè)質(zhì)量：使用天平稱出重物質(zhì)量。2．安裝裝置：按圖甲所示把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與電源連接好。3．打紙帶：在紙帶的一端把重物用夾子固定好，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物停靠在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近。先接通電源后釋放紙帶，讓重物拉著紙帶自由下落。重復(fù)幾次，得到3～5條打好點(diǎn)的紙帶。4．選紙帶：取下紙帶并選其中一個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，設(shè)打該點(diǎn)時(shí)重物的重力勢(shì)能為0，計(jì)算打該點(diǎn)時(shí)重物的動(dòng)能，它就是重物下落過程中動(dòng)能與重力勢(shì)能的總和。5．求機(jī)械能：分別計(jì)算紙帶上其他各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的重物的動(dòng)能和重力勢(shì)能之和。本卷須知1．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝要穩(wěn)固，并使兩限位孔的中線在同一豎直線上，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，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力的影響相對(duì)減小。3．實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后再松開紙帶讓重物下落。4．本實(shí)驗(yàn)中的幾種驗(yàn)證方法均不需要測(cè)重物的質(zhì)量m。(2)某實(shí)驗(yàn)小組利用上述裝置將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到50Hz的交流電源上，按正確操作得到了一條完整的紙帶，由于紙帶較長(zhǎng)，圖中有局部未畫出，如圖乙所示。紙帶上各點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的計(jì)時(shí)點(diǎn)，其中O點(diǎn)為紙帶上打出的第一個(gè)點(diǎn)。重物下落高度應(yīng)從紙帶上計(jì)時(shí)點(diǎn)間的距離直接測(cè)出，利用以下測(cè)量值能完成驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的選項(xiàng)有________。A．OA、AD和EG的長(zhǎng)度 B．OC、BC和CD的長(zhǎng)度C．BD、CF和EG的長(zhǎng)度 D．AC、BD和EG的長(zhǎng)度解析：(1)重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘、兩限位孔在同一豎直面內(nèi)對(duì)正都可以降低摩擦阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的誤差，A、B正確；動(dòng)能與重力勢(shì)能表達(dá)式中都含有質(zhì)量m，可以約去，故不需要測(cè)量出質(zhì)量m的具體數(shù)值，C錯(cuò)誤；重物下落之前應(yīng)該用手拉住紙帶上端而不是用手托住重物，D錯(cuò)誤。(1)此題考查對(duì)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)原理的理解，具有一定的靈活性，考查了學(xué)生多層次的實(shí)驗(yàn)探究能力。(2)對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，要掌握處理實(shí)驗(yàn)誤差的方法，理解驗(yàn)證機(jī)械能守恒的過程，掌握瞬時(shí)速度的求解及重力勢(shì)能的表達(dá)式的應(yīng)用。[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練]1．“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律〞的實(shí)驗(yàn)裝置可以采用圖示的甲或乙方案來進(jìn)行。(1)比較這兩種方案，________(填“甲〞或“乙〞)方案好些。(2)在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律〞的實(shí)驗(yàn)中，直接測(cè)量的物理量是________。A．重力加速度B．重物下落的高度C．重物下落的瞬時(shí)速度D．重物下落的平均速度(3)在進(jìn)行“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律〞的實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)________。A．先釋放紙帶，再接通電源B．用手托住重物由靜止釋放C．根據(jù)v＝gt計(jì)算重物在t時(shí)刻的速度D．使重物下落的起始位置靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器解析：(1)甲的方案摩擦阻力小，誤差小，而且方便操作，所用實(shí)驗(yàn)器材少，所以甲的方案好些。(2)驗(yàn)證機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)，重力勢(shì)能減少量等于動(dòng)能的增加量，所以重力加速度是的，無需測(cè)量，A錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)要計(jì)算重力勢(shì)能的減少量，所以需要測(cè)量物體下落的高度，B正確；本實(shí)驗(yàn)的下落瞬時(shí)速度是根據(jù)紙帶處理得到，無法直接測(cè)量，而平均速度本實(shí)驗(yàn)用不到，C、D錯(cuò)誤。(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作，接通電源打點(diǎn)穩(wěn)定后，再釋放紙帶，A錯(cuò)誤；釋放時(shí)，紙帶應(yīng)豎直，減少與限位孔的摩擦，所以釋放時(shí)，應(yīng)按圖中所示，B錯(cuò)誤；因?yàn)橐?yàn)證機(jī)械能守恒，所以速度需根據(jù)實(shí)際的紙帶計(jì)算，而不能用自由落體公式計(jì)算，因?yàn)樽杂陕潴w運(yùn)動(dòng)只受重力，機(jī)械能一定守恒，C錯(cuò)誤；釋放紙帶前，重錘應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，這樣可以充分利用紙帶，D正確。答案：(1)甲(2)B(3)D根據(jù)紙帶計(jì)算：(1)從重物開始下落到打B點(diǎn)時(shí)，減少的重力勢(shì)能；(2)從重物下落到打B點(diǎn)時(shí)增加的動(dòng)能；(3)從(1)(2)的數(shù)據(jù)中可得出什么結(jié)論？產(chǎn)生誤差的主要原因是什么？利用“落體法〞驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律時(shí)，可以驗(yàn)證動(dòng)能與重力勢(shì)能之和保持不變，也可以驗(yàn)證重力勢(shì)能的減少量等于動(dòng)能的增加量。由于存在阻力，重力勢(shì)能的減少量必然略大于動(dòng)能的增加量。(2)如圖乙是該實(shí)驗(yàn)小組得到的一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，紙帶上的O點(diǎn)是起始點(diǎn)，選取紙帶上連續(xù)的點(diǎn)A、B、C、D、E、F作為計(jì)數(shù)點(diǎn)，并測(cè)出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離依次為27.94cm、32.78cm、38.02cm、43.65cm、49.66cm、56.07cm。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用的電源是50Hz的交流電，重物的質(zhì)量為0.5kg，那么從計(jì)時(shí)器打下點(diǎn)O到打下點(diǎn)D的過程中，重物減少的重力勢(shì)能ΔEp＝______J；重物增加的動(dòng)能ΔEk＝________J，兩者不完全相等的原因可能是__________________________________。(重力加速度g取9.8m/s2，計(jì)算結(jié)果保存三位有效數(shù)字)(3)實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)又正確計(jì)算出圖乙中打下計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F各點(diǎn)的瞬時(shí)速度v，以各計(jì)數(shù)點(diǎn)到A點(diǎn)的距離h′為橫軸，v2為縱軸作出圖像，如圖丙所示，根據(jù)作出的圖線，能粗略驗(yàn)證自由下落的物體機(jī)械能守恒的依據(jù)是______________________________________。(1)實(shí)驗(yàn)步驟：①將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，桌面高度不低于1m，將導(dǎo)軌調(diào)至水平。②用游標(biāo)卡尺測(cè)出擋光條的寬度l＝9.30mm。③由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門中心間的距離s＝______cm。④將滑塊移至光電門1左側(cè)某處，待砝碼靜止時(shí)，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過光電門2。⑤從數(shù)字計(jì)時(shí)器(圖中未畫出)上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時(shí)間Δt1和Δt2。⑥用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量m。(2)用表示直接測(cè)量量的字母寫出以下物理量的表達(dá)式。①滑塊通過光電門1和光電門2時(shí)，瞬時(shí)速度分別為v1＝________和v2＝________。②當(dāng)滑塊通過光電門1和光電門2時(shí)，系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動(dòng)能分別為Ek1＝____________和Ek2＝____________。③在滑塊從光電門1運(yùn)動(dòng)到光電門2的過程中，系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量ΔEp＝________(重力加速度為g)。(3)如果ΔEp＝________，那么可認(rèn)為驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律。[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練]3.某同學(xué)利用豎直上拋小球的頻閃照片驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。頻閃儀每隔0.05s閃光一次，圖中所標(biāo)數(shù)據(jù)為實(shí)際距離，小球質(zhì)量m＝0.2kg。(當(dāng)?shù)刂亓铀俣热?.8m/s2，結(jié)果保存三位有效數(shù)字)：(1)從t2到t5時(shí)間內(nèi)，重力勢(shì)能增量ΔEp＝__________J，動(dòng)能減少量ΔEk＝________J。(2)在誤差允許的范圍內(nèi)，假設(shè)ΔEp與ΔEk近似相等，從而驗(yàn)證了機(jī)械能守