實(shí)驗(yàn):驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律(實(shí)驗(yàn)課——基于經(jīng)典科學(xué)探究)

第5

節(jié)1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備——原理、器材和裝置2實(shí)驗(yàn)操作——過(guò)程、細(xì)節(jié)和反思3實(shí)驗(yàn)考法——基礎(chǔ)、變通和創(chuàng)新4訓(xùn)練評(píng)價(jià)——鞏固、遷移和發(fā)展CONTENTS目錄實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備——原理、器材和裝置一、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)操作——過(guò)程、細(xì)節(jié)和反思一、實(shí)驗(yàn)步驟1.安裝置:按照裝置示意圖將檢查、調(diào)整好的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺(tái)上,接好電路。2.打紙帶:將紙帶的一端用夾子固定在重物上,另一端穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔,用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的位置。先接通電源,后松開(kāi)紙帶,讓重物帶著紙帶自由下落。更換紙帶重復(fù)做3~5次實(shí)驗(yàn)。3.選紙帶:選取點(diǎn)跡較為清晰且開(kāi)始打下的兩點(diǎn)間的距離約為

2mm的紙帶,把紙帶上打出的兩點(diǎn)間的距離約為2mm的第一個(gè)點(diǎn)作為起始點(diǎn),記作O,在距離O點(diǎn)較遠(yuǎn)處再依次選出計(jì)數(shù)點(diǎn)1,2,3……4.測(cè)距離:用刻度尺測(cè)出O點(diǎn)到計(jì)數(shù)點(diǎn)1,2,3,……的距離,即為對(duì)應(yīng)下落的高度h1,h2,h3,……

三、誤差分析本實(shí)驗(yàn)的誤差主要是測(cè)量紙帶上打點(diǎn)間距時(shí)產(chǎn)生的偶然誤差以及重物和紙帶運(yùn)動(dòng)中的空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差。

關(guān)鍵點(diǎn)反思1.本實(shí)驗(yàn)中對(duì)重物的選擇有什么要求?提示:應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物,可使空氣阻力的影響相對(duì)減小。2.在得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中,大部分同學(xué)得到的結(jié)論是:重物動(dòng)能的增加量稍小于重力勢(shì)能的減少量,請(qǐng)問(wèn)這是怎么造成的呢?提示:重物和紙帶下落過(guò)程中要克服阻力做功,所以重物動(dòng)能的增加量稍小于重力勢(shì)能的減少量。3.本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生誤差的原因主要有哪些?怎樣減小誤差?提示:做好本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是盡量減小重物下落過(guò)程中的阻力,但阻力不可能完全消除。本實(shí)驗(yàn)中,誤差的主要來(lái)源是紙帶摩擦和空氣阻力。由于重物及紙帶在下落過(guò)程中要不斷地克服阻力做功,因此重物動(dòng)能的增加量必稍小于重力勢(shì)能的減少量,這是系統(tǒng)誤差。減小系統(tǒng)誤差的方法有:選用密度大的實(shí)心重物,重物下落前紙帶應(yīng)保持豎直,選用電火花計(jì)時(shí)器等。由于測(cè)量長(zhǎng)度會(huì)造成誤差,屬偶然誤差。減小辦法:一是測(cè)距離都應(yīng)從O點(diǎn)量起,下落高度h適當(dāng)大些(過(guò)小,h不易測(cè)準(zhǔn)確;過(guò)大,阻力影響造成的誤差大),二是多測(cè)幾次取平均值。[備選案例]研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能1.實(shí)驗(yàn)器材如圖所示,氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字計(jì)時(shí)器、帶有遮光條的滑塊等。2.實(shí)驗(yàn)步驟把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài),滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時(shí),忽略空氣阻力,重力勢(shì)能減小,動(dòng)能增大。測(cè)量?jī)晒怆婇T(mén)之間高度差Δh和滑塊通過(guò)兩個(gè)光電門(mén)時(shí)的速度v1、v2,代入表達(dá)式驗(yàn)證。

4.誤差分析兩光電門(mén)之間的距離稍大一些,可以減小測(cè)量誤差;遮光條的寬度越小,誤差越小。實(shí)驗(yàn)考法——基礎(chǔ)、變通和創(chuàng)新考法(一)

實(shí)驗(yàn)基本操作[例1]利用如圖所示的裝置做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)。(1)下列實(shí)驗(yàn)操作正確的是_________。

A.選擇大小合適的鐵質(zhì)重錘B.選擇體積較大的木質(zhì)重錘C.打點(diǎn)時(shí),應(yīng)讓重錘靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,先釋放紙帶,再接通電源D.選紙帶時(shí),應(yīng)選點(diǎn)跡清晰且打下的第1、2兩點(diǎn)間距離接近2mm的紙帶√√[解析]

為使重錘近似做自由落體運(yùn)動(dòng),應(yīng)選擇體積較小、質(zhì)量較大的鐵質(zhì)重錘,A正確,B錯(cuò)誤;打點(diǎn)時(shí),為有充分的打點(diǎn)距離,應(yīng)讓重錘靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,先接通電源,后釋放重錘,C錯(cuò)誤;紙帶上點(diǎn)跡應(yīng)清晰,打下的第1、2兩點(diǎn)間距離接近2

mm時(shí),說(shuō)明打下的第一個(gè)點(diǎn)的速度為零,D正確,故選A、D。(2)除打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(含紙帶、復(fù)寫(xiě)紙)、重錘、交流電源、鐵架臺(tái)、導(dǎo)線及開(kāi)關(guān)外,在下面的器材中,必須使用的還有_________。(選填器材前的字母)

A.刻度尺 B.天平C.秒表[解析]

重錘質(zhì)量不需要測(cè)量,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器本身就是計(jì)時(shí)工具。需用刻度尺測(cè)量打點(diǎn)間距,故選A?！蘙微點(diǎn)撥]關(guān)于實(shí)驗(yàn)操作的三點(diǎn)提醒(1)本實(shí)驗(yàn)不需要測(cè)量重物的質(zhì)量。(2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器連接的應(yīng)該是交流電源。(3)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該先接通電源后釋放重物。考法(二)

數(shù)據(jù)處理和誤差分析[例2]

(2024·福建寧德高一質(zhì)檢)如圖1所示,是利用自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)。所用的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通以50Hz的交流電。(1)甲同學(xué)按照正確的實(shí)驗(yàn)步驟操作后,選出一條紙帶如圖2所示,其中O點(diǎn)為打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的第一個(gè)點(diǎn),A、B、C為三個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn),用刻度尺測(cè)得OA=12.41cm,OB=18.60cm,OC=27.21cm,在計(jì)數(shù)點(diǎn)A和B、B和C之間還各有一個(gè)點(diǎn)。已知重物的質(zhì)量為1.00kg,取g=9.80m/s2。在OB段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,重物重力勢(shì)能的減少量ΔEp=_________J;重物的動(dòng)能增加量ΔEk=_________J。(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)

1.821.71

(2)該實(shí)驗(yàn)沒(méi)有考慮各種阻力的影響,這屬于本實(shí)驗(yàn)的_________誤差(選填“偶然”或“系統(tǒng)”)。

[解析]

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,摩擦力是真實(shí)存在的,不可避免,故屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)(3)甲同學(xué)多次實(shí)驗(yàn),以重物的速度平方v2為縱軸,以重物下落的高度h為橫軸,作出如圖3所示的v2?h圖像,則當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=_________m/s2。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)

9.67

考法(三)

源于經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新考查[例3]某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)用拉力傳感器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)。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(dòng),記錄鋼球擺動(dòng)過(guò)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(guò)程。根據(jù)測(cè)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(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒,則圖乙中直線斜率的理論值為_(kāi)________。

-2

0.59-2.1(3)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的主要來(lái)源是_________(單選,填正確答案標(biāo)號(hào))。

A.小鋼球擺動(dòng)角度偏大B.小鋼球初始釋放位置不同C.小鋼球擺動(dòng)過(guò)程中有空氣阻力[解析]

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的主要來(lái)源是小鋼球擺動(dòng)過(guò)程中有空氣阻力,使得機(jī)械能減小,故選C?！蘙創(chuàng)新分析](1)情境創(chuàng)新:以小鋼球在豎直平面內(nèi)的擺動(dòng)為素材,創(chuàng)設(shè)了用拉力傳感器采集數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)探索問(wèn)題情境。(2)數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新:用拉力傳感器記錄小鋼球擺動(dòng)過(guò)程中拉力的最大值Tmax和最小值Tmin,通過(guò)向心力公式來(lái)測(cè)量動(dòng)能的大小,并繪制圖像處理數(shù)據(jù)。訓(xùn)練評(píng)價(jià)——鞏固、遷移和發(fā)展1.(2023·廣東1月學(xué)考)利用如圖所示的裝置,驗(yàn)證重物自由下落過(guò)程中的機(jī)械能守恒,下列說(shuō)法正確的是(

)A.實(shí)驗(yàn)需要的器材包含秒表B.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)接直流電源C.實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先釋放紙帶,再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源D.紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的阻力會(huì)帶來(lái)誤差√解析:打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是一個(gè)可以計(jì)時(shí)的儀器,則實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不需要秒表,故A錯(cuò)誤;打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)接交流電源,故B錯(cuò)誤;實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源,再釋放紙帶,故C錯(cuò)誤;紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的阻力會(huì)帶來(lái)誤差,故D正確。2.(2024·浙江6月選考)在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中,(1)下列操作正確的是_________。

√解析:做該實(shí)驗(yàn)時(shí),為了減小阻力的影響,且獲得最多的數(shù)據(jù),應(yīng)手提紙帶上端使紙帶豎直,同時(shí)使重物靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,由靜止釋放,故選B。(2)實(shí)驗(yàn)獲得一條紙帶,截取點(diǎn)跡清晰的一段并測(cè)得數(shù)據(jù)如圖所示。已知打點(diǎn)的頻率為50Hz,則打點(diǎn)“13”時(shí),重錘下落的速度大小為_(kāi)________m/s(保留三位有效數(shù)字)。

3.34

(3)某同學(xué)用紙帶的數(shù)據(jù)求出重力加速度g=9.77m/s2,并用此g值計(jì)算得出打點(diǎn)“1”到“13”過(guò)程重錘的重力勢(shì)能減小值為5.09m,另計(jì)算得動(dòng)能增加值為5.08m(m為重錘質(zhì)量),則該結(jié)果_________(選填“能”或“不能”)驗(yàn)證機(jī)械能守恒,理由是_________。

A.在誤差允許范圍內(nèi)B.沒(méi)有用當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭不能B解析:不能驗(yàn)證機(jī)械能守恒;計(jì)算重力勢(shì)能時(shí)應(yīng)用當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭計(jì)算,故選B。3.某實(shí)驗(yàn)小組用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”。小組同學(xué)按照正確操作得到的紙帶如圖乙所示,其中O是起始點(diǎn),M、N、P為從合適位置開(kāi)始選取的三個(gè)連續(xù)點(diǎn),打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)頻率為50Hz,該同學(xué)用刻度尺測(cè)量O到M、N、P各點(diǎn)的距離,并記錄在圖乙中,已知重物的質(zhì)量為0.5kg,重力加速度g取9.8m/s2。

√

2.131.13(3)從O點(diǎn)到N點(diǎn),重物重力勢(shì)能的減少量為_(kāi)________J(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。

解析:從O點(diǎn)到N點(diǎn),重物重力勢(shì)能的減少量為ΔEp=mgh=0.5×9.80×0.237

2

J≈1.16

J。1.16(4)若測(cè)出紙帶上各點(diǎn)到O點(diǎn)之間的距離,根據(jù)紙帶算出打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打各點(diǎn)時(shí)重物的速度v及重物下落的高度x,則在機(jī)械能守恒的情況下,下列以v2為縱軸、x為橫軸畫(huà)出的圖像正確的是_________。

√

4.實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)。量角器中心O點(diǎn)和細(xì)線的一個(gè)端點(diǎn)重合,并且固定好;細(xì)線另一端系一個(gè)小球,當(dāng)小球靜止不動(dòng)時(shí),量角器的零刻度線與細(xì)線重合,在小球所在位置安裝一個(gè)光電門(mén),小球的直徑可視為擋光寬度,光電門(mén)的中心恰好與小球靜止時(shí)球心的位置重合。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖所示。(1)為減小實(shí)驗(yàn)誤差,小球應(yīng)選_________(填字母序號(hào))。

A.直徑約1cm的均勻鋼球B.直徑約4cm的均勻木球解析:為減小空氣阻力的影響,應(yīng)選質(zhì)量大、體積較小的鋼球。故選A。A

C

5.(2024·內(nèi)蒙古鄂爾多斯高一期末)如圖甲為某實(shí)驗(yàn)小組利用氣墊導(dǎo)軌做“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)裝置。將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上,細(xì)繩兩端分別與托盤(pán)和滑塊相連,滑塊在托盤(pán)的牽引下運(yùn)動(dòng)。已知光電門(mén)固定在氣墊導(dǎo)軌上,遮光條的寬度為d,砝碼(含托盤(pán))的質(zhì)量為M,滑塊(含遮光條)的質(zhì)量為m,重力加速度為g。(1)下列實(shí)驗(yàn)操作步驟,正確的順序是_________________________。

①測(cè)出遮光條到光電門(mén)的距離l②調(diào)節(jié)滑輪高度,使細(xì)繩與導(dǎo)軌平行③將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上,將導(dǎo)軌調(diào)至水平④由靜止釋放滑塊,讀出遮光條通過(guò)光電門(mén)的遮光時(shí)間t⑤打開(kāi)氣源,將滑塊移至光電門(mén)右側(cè)合適的位置③②⑤①④(或③⑤②①④)解析:用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律時(shí),首先應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上,將導(dǎo)軌調(diào)至水平,再調(diào)節(jié)滑輪高度,使細(xì)繩與導(dǎo)軌平行,然后打開(kāi)氣源,將滑塊移至光電門(mén)右側(cè)合適的位置,測(cè)出遮光條到光電門(mén)的距離l