第五章機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)7驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律1.掌握用自由落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)原理、操作、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等。2.會(huì)分析拓展、創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)備·歸納自主落實(shí)回扣教材實(shí)驗(yàn)類型·突破關(guān)鍵能力深度剖析考向1

實(shí)驗(yàn)原理和操作【典例1】某項(xiàng)目研究小組的同學(xué)要探究重錘下落過(guò)程中的重力勢(shì)能與動(dòng)能變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,由此他們借助于鐵架臺(tái)和電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器組裝了如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置。類型1實(shí)驗(yàn)基本技能應(yīng)用(1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源是____________(填“交流電源”或“直流電源”),工作電壓約為_(kāi)_______V。(2)探究過(guò)程中需要直接測(cè)量的物理量是________,通過(guò)計(jì)算得到的物理量是________。(均填選項(xiàng)字母)A.重錘質(zhì)量 B.重力加速度C.重錘下落的高度 D.與下落高度對(duì)應(yīng)的重錘的瞬時(shí)速度(3)設(shè)重錘質(zhì)量為m、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為T、重力加速度為g。圖乙是實(shí)驗(yàn)得到的一條紙帶,A、B、C、D、E為相鄰的連續(xù)點(diǎn)。根據(jù)測(cè)得的x1、x2、x3、x4,寫出重錘由B點(diǎn)到D點(diǎn)重力勢(shì)能減少量的表達(dá)式_________________,動(dòng)能增加量的表達(dá)式________________。由于重錘下落時(shí)要克服阻力做功,所以該實(shí)驗(yàn)的動(dòng)能增加量總是________(填“大于”“等于”或“小于”)重力勢(shì)能的減少量。解析

(1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源是利用交流電源工作的一種計(jì)時(shí)儀器,它的工作電壓為8

V。(2)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中利用刻度尺與紙帶直接測(cè)量的物理量是重錘下落的高度,利用勻變速直線運(yùn)動(dòng)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度與全程平均速度相等,計(jì)算得到的物理量是與下落高度對(duì)應(yīng)的重錘的瞬時(shí)速度。

考向2

數(shù)據(jù)處理和誤差分析【典例2】某同學(xué)用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,裝置如圖甲所示。(1)實(shí)驗(yàn)裝置中一處明顯的錯(cuò)誤是_________________________。(2)正確接好實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)打出的一條紙帶如圖乙所示,在紙帶上選取三個(gè)連續(xù)打出的點(diǎn)A、B、C,測(cè)得它們到起始點(diǎn)O的距離分別為xA、xB、xC。已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的周期為T,重物的質(zhì)量為m,從打下O點(diǎn)到打下B點(diǎn)的過(guò)程,重物的重力勢(shì)能減少量ΔEp=________,動(dòng)能增加量ΔEk=________________。(均用已知物理量符號(hào)表示)

考向1

實(shí)驗(yàn)裝置改變【典例3】小明利用圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,所用器材包括:安裝phyphox

APP的智能手機(jī)、鐵球、刻度尺、鋼尺等。類型2實(shí)驗(yàn)的遷移、拓展和創(chuàng)新(1)下列實(shí)驗(yàn)操作步驟,正確順序是________。①將質(zhì)量為m的鐵球放在鋼尺末端②迅速敲擊鋼尺側(cè)面,鐵球自由下落③傳感器記錄下聲音振幅隨時(shí)間變化曲線④將鋼尺伸出水平桌面少許,用刻度尺測(cè)出鋼尺上表面與地板間的高度差h⑤將手機(jī)位于桌面上方,運(yùn)行手機(jī)中的聲音“振幅”(聲音傳感器)項(xiàng)目(2)聲音振幅隨時(shí)間變化曲線如圖乙所示,第一、第二個(gè)尖峰的橫坐標(biāo)分別對(duì)應(yīng)鐵球開(kāi)始下落和落地時(shí)刻,對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔t=________s。(3)若鐵球下落過(guò)程中機(jī)械能守恒,則應(yīng)滿足等式:mgh=______(用m、h、t表示)。(4)若敲擊鋼尺側(cè)面時(shí)鐵球獲得一個(gè)較小的水平速度,對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果________(填“有”或“沒(méi)有”)影響。解析

(1)首先應(yīng)將鋼尺伸出水平桌面,用刻度尺測(cè)出鋼尺上表面與地板間的高度差,然后將鐵球放在鋼尺末端,手機(jī)開(kāi)始運(yùn)行手機(jī)中的聲音“振幅”(聲音傳感器)項(xiàng)目,再迅速敲擊鋼尺側(cè)面,使鐵球自由下落,此時(shí)傳感器即可記錄下聲音振幅隨時(shí)間變化曲線,故操作步驟順序?yàn)棰堍佗茛冖邸?2)由題圖乙可知,時(shí)間間隔為0.40

s。

考向2

實(shí)驗(yàn)方案創(chuàng)新【典例4】某同學(xué)利用如圖所示的裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間。主要實(shí)驗(yàn)步驟如下:①用游標(biāo)卡尺測(cè)量擋光片的寬度d,用量角器測(cè)出氣墊導(dǎo)軌的傾角θ;②測(cè)量擋光片到光電門的距離L;③由靜止釋放滑塊,記錄數(shù)字計(jì)時(shí)器顯示擋光片的擋光時(shí)間t;④改變L,測(cè)出不同L所對(duì)應(yīng)的擋光時(shí)間t;⑤用天平測(cè)出滑塊和擋光片的總質(zhì)量m;

考向3

實(shí)驗(yàn)?zāi)康母淖儭镜淅?】

(2022·廣東卷)某實(shí)驗(yàn)小組為測(cè)量小球從某一高度釋放,與某種橡膠材料碰撞導(dǎo)致的機(jī)械能損失,設(shè)計(jì)了如圖甲所示的裝置,實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)程中均可通過(guò)光電門。(2)用螺旋測(cè)微器測(cè)量小球的直徑,示數(shù)如圖乙所示,小球直徑d=________mm。(3)測(cè)量時(shí),應(yīng)________(填“A”或“B”,其中A為“先釋放小球,后接通數(shù)字計(jì)時(shí)器”,B為“先接通數(shù)字計(jì)時(shí)器,后釋放小球”)。記錄小球第一次和第二次通過(guò)光電門的遮光時(shí)間t1和t2。(4)計(jì)算小球通過(guò)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(jī)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(huì)________(填“增大”或“減小”)因空氣阻力引起的測(cè)量誤差。

(5)若調(diào)高光電門的高度,較調(diào)整之前小球會(huì)經(jīng)歷較大的空中距離,所以將會(huì)增大因空氣阻力引起的測(cè)量誤差。

高效訓(xùn)練·提能拓廣視野智學(xué)慧考

(3)下表為該同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:ΔEp/(10-2J)4.8929.78614.6919.5929.38ΔEk/(10-2J)5.0410.115.120.029.8他發(fā)現(xiàn)表中的ΔEp與ΔEk之間存在差異,認(rèn)為這是由空氣阻力造成的。你是否同意他的觀點(diǎn)?請(qǐng)說(shuō)明理由。______________________。(4)請(qǐng)你提出一條減小上述差異的改進(jìn)建議。________________________________________________。

答案

(1)B

(2)1.50(1.49~1.51都算對(duì))

1.50(1.49~1.51都算對(duì))

(3)不同意,因?yàn)榭諝庾枇?huì)造成ΔEk小于ΔEp,但表中ΔEk大于ΔEp

(4)見(jiàn)解析2.用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證A、B組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒。B從高處由靜止開(kāi)始下落,A上拖著的紙帶打出一系列的點(diǎn),對(duì)紙帶上的點(diǎn)跡進(jìn)行測(cè)量,即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。如圖乙給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶,0是打下的第一個(gè)點(diǎn),每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)點(diǎn)(圖中未標(biāo)出),所用電源的頻率為50Hz。已知A的質(zhì)量m1=50g,B的質(zhì)量m2=150g。(結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)(1)在紙帶上打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5時(shí)的速度v5=________m/s。(2)在打下0點(diǎn)到打下計(jì)數(shù)點(diǎn)5的過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)能的增加量ΔEk=________J,系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量ΔEp=________J。(當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭取10m/s2)

答案

(1)2.4

(2)0.58

0.60

(3)9.73.某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置,探究輕質(zhì)彈簧的彈性勢(shì)能與形變量的關(guān)系,光滑水平桌面距地面高為h,一輕質(zhì)彈簧左端固定,右端與質(zhì)量為m的小鋼球接觸,彈簧處于原長(zhǎng)時(shí),將小球向左推,壓縮彈簧一段距離后由靜止釋放,在彈簧彈力的作用下,小球從桌子邊緣水平飛出,小球落到位于水平地面的復(fù)寫紙上,從而在復(fù)寫紙下方的白紙P點(diǎn)留下痕跡。(已知重力加速度為g)(1)實(shí)驗(yàn)測(cè)得小球的落點(diǎn)P到O點(diǎn)的距離為l,那么由理論分析得到小球釋放前壓縮彈簧的彈性勢(shì)能Ep與h、l、mg之間的關(guān)系式為_(kāi)_______。(2)改變彈簧壓縮量進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),測(cè)量數(shù)據(jù)如下表所示,請(qǐng)?jiān)趫D乙坐標(biāo)紙上作出x-