第5講實驗：驗證機械能守恒定律

把握經(jīng)典實驗方案

一、基本原理與操作原理裝置圖操作要領(lǐng)(1)安裝：打點計時器豎直安裝；紙帶沿豎直方向拉直。(2)重物：選密度大、質(zhì)量大的金屬塊，且靠近計時器處釋放。(3)打紙帶：讓重物自由下落，紙帶上打下一系列小點。續(xù)表三、誤差分析誤差產(chǎn)生原因減小誤差的方法偶然誤差測量長度帶來的誤差(1)測量距離時應(yīng)從計數(shù)點0量起，且選取的計數(shù)點離0點遠(yuǎn)些(2)多次測量取平均值系統(tǒng)誤差重物和紙帶下落過程中存在阻力(1)打點計時器安裝穩(wěn)固，并使兩限位孔在同一豎直線上，以減小摩擦阻力；(2)選用質(zhì)量大、體積小的物體作重物，以減小空氣阻力的影響四、注意事項1．應(yīng)盡可能控制實驗條件，即應(yīng)滿足機械能守恒的條件，這就要求盡量減小各種阻力的影響，采取的措施有：(1)安裝打點計時器時，必須使兩個限位孔的中線嚴(yán)格豎直，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減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力減小。2．實驗中，提紙帶的手要保持不動，且保證紙帶豎直，接通電源，待打點計時器工作穩(wěn)定后再松開紙帶。一、基礎(chǔ)考法保住分考查點(一)實驗原理與操作1．利用如圖甲所示裝置做“驗證機械能守恒定律”的實驗。(1)為驗證機械能是否守恒，需要比較重物下落過程中任意兩點間的________。A．動能變化量與勢能變化量B．速度變化量與勢能變化量C．速度變化量與高度變化量(2)除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(含鐵夾)、電磁打點計時器、導(dǎo)線及開關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的兩種器材是________。A．交流電源B．刻度尺C．天平(含砝碼)(3)實驗中，先接通電源，再釋放重物，得到如圖乙所示的一條紙帶。在紙帶上選取三個連續(xù)打出的點A、B、C，測得它們到起始點O的距離分別為hA、hB、hC。已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，打點計時器打點的周期為T。設(shè)重物的質(zhì)量為m。從打O點到打B點的過程中，重物的重力勢能變化量ΔEp＝________，動能變化量ΔEk＝______________?？疾辄c(二)數(shù)據(jù)處理與誤差分析2．(2023·廣州調(diào)研)如圖甲所示為驗證機械能守恒定律的實驗裝置?，F(xiàn)有器材為：帶鐵夾的鐵架臺、電磁打點計時器、紙帶、帶鐵夾的重物、天平。(1)為完成實驗，還需要的器材有________。A．刻度尺 B．0～8V直流電源C．秒表

D．0～8V交流電源(2)某同學(xué)用圖甲所示裝置打出的一條紙帶如圖乙所示，相鄰兩點之間的時間間隔為0.02s，根據(jù)紙帶計算出打下D點時重物的速度大小為________m/s。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)答案：(1)AD

(2)1.75

(3)重物的初速度為零2mm

(4)當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊?倍(3)利用計算法驗證機械能守恒：計算法需要知道當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋ㄟ^計算重力勢能的減少量與動能的增加量是否相等驗證機械能守恒。(4)因紙帶與限位孔間的摩擦阻力及空氣阻力做負(fù)功，重物的機械能不守恒，結(jié)果出現(xiàn)ΔEp>ΔEk，所以本實驗中g(shù)值不可取10m/s2，如果不特殊說明，都按g＝9.8m/s2進(jìn)行計算。(5)計算ΔEp和ΔEk數(shù)值時要注意題中有效數(shù)字位數(shù)的要求。

二、創(chuàng)新考法不失分創(chuàng)新角度(一)實驗器材的創(chuàng)新1.

某同學(xué)利用豎直上拋小球的頻閃照片“驗證機械能守恒定律”，頻閃

儀每隔0.05s閃光一次，如圖所標(biāo)數(shù)據(jù)為實際距離，該同學(xué)通過計算

得到不同時刻的速度如下表。(當(dāng)?shù)刂亓铀俣热?.8m/s2，小球質(zhì)量

為m＝0.2kg，結(jié)果保留3位有效數(shù)字)時刻t2T3t4t5速度/(m·s－1)4.994.483.98

(1)由頻閃照片上的數(shù)據(jù)計算t5時刻小球的速度v5＝________m/s。(2)從t2到t5時間內(nèi)，重力勢能增加量ΔEp＝________J，動能減少量ΔEk＝________J。(3)在誤差允許的范圍內(nèi)，若ΔEp與ΔEk近似相等，即可驗證機械能守恒定律。由上述計算得ΔEp________ΔEk(填“＞”“＜”或“＝”)，造成這種結(jié)果的主要原因是_____________________________________________________________________________________________________________________________________。[創(chuàng)新點分析](1)小球在重力作用下做豎直上拋運動過程中機械能守恒。(2)利用頻閃照片獲取實驗數(shù)據(jù)。

答案：(1)3.48

(2)1.24

1.28

(3)＜存在空氣阻力創(chuàng)新角度(二)實驗原理的創(chuàng)新2．(2022·湖北高考)某同學(xué)設(shè)計了一個用拉力傳感器驗證機械能守恒定律的實驗。一根輕繩一端連接固定的拉力傳感器，另一端連接小鋼球，如圖甲所示。拉起小鋼球至某一位置由靜止釋放，使小鋼球在豎直平面內(nèi)擺動，記錄鋼球擺動過程中拉力傳感器示數(shù)的最大值Tmax和最小值Tmin。改變小鋼球的初始釋放位置，重復(fù)上述過程。根據(jù)測量數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)系中繪制的Tmax-Tmin圖像是一條直線，如圖乙所示。(1)若小鋼球擺動過程中機械能守恒。則圖乙中直線斜率的理論值為________。(2)由圖乙得：直線的斜率為________，小鋼球的重力為________N。(結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)(3)該實驗系統(tǒng)誤差的主要來源是________(單選，填正確答案標(biāo)號)。A．小鋼球擺動角度偏大B．小鋼球初始釋放位置不同C．小鋼球擺動過程中有空氣阻力[創(chuàng)新點分析](1)利用小球擺動來驗證機械能守恒定律。(2)利用拉力傳感器測量懸線拉力。(3)利用牛頓第二定律和圓周運動知識進(jìn)行計算。

答案：(1)－2

(2)－2.1

0.59

(3)C創(chuàng)新角度(三)實驗?zāi)康牡膭?chuàng)新3．(2022·廣東高考)某實驗小組為測量小球從某一高度釋放，與某種橡膠材料碰撞導(dǎo)致的機械能損失，設(shè)計了如圖甲所示的裝置，實驗過程如下：(1)讓小球從某一高度由靜止釋放，與水平放置的橡膠材料碰撞后豎直反彈。調(diào)節(jié)光電門位置，使小球從光電門正上方釋放后，在下落和反彈過程中均可通過光電門。(2)用螺旋測微器測量小球的直徑，示數(shù)如圖乙所示，小球直徑d＝__________mm。(3)測量時，應(yīng)__________(選填“A”或“B”，其中A為“先釋放小球，后接通數(shù)字計時器”，B為“先接通數(shù)字計時器，后釋放小球”)。記錄小球第一次和第二次通過光電門的遮光時間t1和t2。(4)計算小球通過光電門的速度，已知小球的質(zhì)量為m，可得小球與橡膠材料碰撞導(dǎo)致的機械能損失ΔE＝__________(用字母m、d、t1和t2表示)。(5)若適當(dāng)調(diào)高光電門的高度，將會__________(選填“增大”或“減小”)因空氣阻力引起的測量誤差。[創(chuàng)新點分析]利用驗證機械能守恒定律的實驗裝置來測量小球碰撞橡膠材料的機械能損失。

4．某同學(xué)利用如圖甲所示的裝置“驗證機械能守恒定律”，其中A是四分之一圓弧軌道，O點為圓心，半徑為L，圓弧的最低點A與水平面之間的高度為H。實驗時將一可看作質(zhì)點的小球從圓弧上某點由靜止釋放，量出此時小球與圓心連線偏離豎直方向的角度θ。當(dāng)小球滑到圓弧最低點A時將水平拋出，用刻度尺測出小球平拋的水平距離s。忽略所有摩擦，試分析下列問題：創(chuàng)新角度(四)實驗過程的創(chuàng)新(1)小球在A點時的水平速度為v＝________(用題給字母表示)。(2)保持其他條件不變，只改變θ角，得到不同的s值，以s2為縱坐標(biāo)，以cosθ為橫坐標(biāo)作圖，如圖乙中的圖線a所示。另一同學(xué)重復(fù)此實驗，得到的s2-cosθ圖線