第5講　實驗：驗證機械能守恒定律

第5講實驗：驗證機械能守恒定律一、實驗目的1．掌握驗證機械能守恒定律的方法。2．會用計算法或圖像法處理實驗數(shù)據(jù)。二、實驗原理通過實驗求出重物做自由落體運動時重力勢能的減少量、相應過程動能的增加量，若二者相等，即可驗證機械能守恒定律。實驗裝置如圖所示。三、實驗器材鐵架臺(帶鐵夾)，打點計時器，重物(帶紙帶夾子)，紙帶數(shù)條，復寫紙片，導線，毫米刻度尺。除了上述器材外，還必須有學生電源(交流電壓4～6V)。四、實驗步驟1．把打點計時器安裝在鐵架臺上，用導線把打點計時器與學生電源連接好。2．把紙帶的一端在重物上用夾子固定好，另一端穿過打點計時器限位孔，用手豎直提起紙帶使重物停靠在打點計時器附近。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?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．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．0～6V直流電源C．秒表

D．0～6V交流電源答案：(1)AD

(2)1.75

(3)重物的初速度為零2mm

(4)當?shù)刂亓铀俣鹊?倍3．如圖甲所示是用“落體法”驗證機械能守恒定律的實驗裝置(g取9.80m/s2)。(1)選出一條清晰的紙帶如圖乙所示，其中O點為打點計時器打下的第一個點，A、B、C為三個計數(shù)點，打點計時器通以頻率為50Hz的交變電流。用分度值為1mm的刻度尺測得OA＝12.41cm，OB＝18.90cm，OC＝27.06cm，在計數(shù)點A和B、B和C之間還各有一個點，重錘的質(zhì)量為1.00kg。根據(jù)以上數(shù)據(jù)算出：當打點計時器打到B點時重錘的重力勢能比開始下落時減少了________J；此時重錘的速度vB＝________m/s，此時重錘的動能比開始下落時增加了________J。(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)二、創(chuàng)新考法不失分創(chuàng)新角度(一)實驗目的的創(chuàng)新1．(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致的機械能損失，設(shè)計了如圖(a)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(b)所示，小球直徑d＝__________mm。(3)測量時，應______(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致的機械能損失ΔE＝__________(用字母m、d、t1和t2表示)。(5)若適當調(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。(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(選填“＞”“＜”或“＝”)，造成這種結(jié)果的主要原因是_______________________________________________________________________________________________________________________________。答案：(1)3.48

(2)1.24

1.28(3)＜存在空氣阻力創(chuàng)新角度(三)實驗原理的創(chuàng)新3．為了驗證小球在豎直平面內(nèi)擺動過程的機械能是否守恒，利用如圖甲裝置，不可伸長的輕繩一端系住一小球，另一端連接力傳感器，小球質(zhì)量為m，球心到懸掛點的距離為L，小球釋放的位置到最低點的高度差為h，實驗記錄輕繩拉力大小隨時間的變化如圖乙，其中Fm是實驗中測得的最大拉力值，重力加速度為g，請回答以下問題：(1)小球第一次運動至最低點的過程，重力勢能的減少量ΔEp＝________，動能的增加量ΔEk＝________。(均用題中所給字母表示)(2)觀察圖乙中拉力峰值隨時間變化規(guī)律，試分析造成這一