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第2课时 验证机械能守恒定律 【实验目的】? 1.验证机械能守恒定律。 2.进一步熟悉___________的使用。 打点计时器 【实验器材】 铁架台、___________、_____电源、纸带、重物、天 平、砝码、刻度尺、导线。 打点计时器 交流 【实验原理与设计】 1.实验原理: (1)在只有重力做功的自由落体运动中,物体的重力势 能和动能互相转化,若物体初位置速度为v1,下落高度 为h时对应速度为v2,则重力势能的减少量为____,动能 的增加量为___________,看它们在实验误差允许的范 围内是否相等,若相等,则说明_______________。 mgh 机械能保持不变 (2)若计算出各点的物体动能和重力势能之和,比较它们的大小,亦可验证机械能是否守恒。 2.实验设计——五个物理量的测量: (1)下落的高度(h) 首先在纸带上选取参考点,然后用毫米刻度尺量出纸带上其他点相对该点的距离。 (2)瞬时速度(v) 由于物体所做的自由落体运动为匀变速直线运动,所以纸带上某点的瞬时速度,等于该段时间内中间时刻的平均速度。 v= (3)物体质量(m) 用_____测量。 (4)物体在某一位置的动能(Ek) 由物体的质量和在该点的瞬时速度求出 Ek=______ 天平 (5)物体在某一位置的重力势能(Ep) 由物体的质量和在该点相对参考点的高度求出 Ep=____ mgh 【实验过程】 一、实验步骤 1.按照如图所示实验装置安装实验器材。 2.利用天平称出重物质量。 3.将纸带的一端用夹子固定在重物上;另一端穿过打点计时器的限位孔,用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源,后松开纸带,让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做3~5次实验。 4.取下纸带并选其中一个点作为参考点,设打该点时重物的重力势能为零,计算打该点时重物的动能,它就是重物下落过程中动能与重力势能的总和。 【思考·讨论】 (1)如何选取重物? (物理观念) 提示:重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。 (2)实验开始时,是先接通电源,还是松开纸带让重物下落? (科学思维) 提示:应先接通电源,让打点计时器正常工作,后松开纸带让重物下落。 二、数据收集与分析 1.分别测量并计算纸带上其他各点对应的重物的动能和重力势能,并分别计算出动能与重力势能之和,将测量和计算的数据填入表格。 机械能 动能 速度 重力势能 高度 点序号 2.实验结论:在只有重力做功的情况下,物体的机械能是守恒的。 【思考·讨论】 测某时刻的瞬时速度能否用vn= 或vn=gt来计算? (科学思维) 提示:某时刻的瞬时速度的计算应用vn= ,不能用 vn= 或vn=gt来计算。 【误差分析】 1.在进行长度测量时,测量及读数不准造成误差。 2.重物下落要克服阻力做功,部分机械能转化成内能,下落高度越大,机械能损失越多,所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象。 3.由于交流电的周期不稳定,造成打点时间间隔变化而产生误差。 类型一 实验操作 【典例1】如图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。现有的器材为:带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题: 世纪金榜导学号 (1)为完成此实验,除了所给的器材外,还需要的器材有________。(填入正确选项前的字母)? A.米尺 B.秒表 C.4~6 V的直流电源 D.4~6 V的交流电源 (2)下面列举了该实验的几个操作步骤: A.按照图示的装置安装器材 B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上 C.用天平测出重锤的质量 D.先接通电源,后释放纸带,打出一条纸带 E.测量纸带上某些点间的距离 F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能 其中操作不当的步骤是________________。? (3)实验中误差产生的原因有_____________(写出两个原因)。? 【解析】(1)为完成此实验,除了所给的器材外,测量需要米尺,电源需要4~6 V的交流电源。 (2)其中操作不当的步骤是将打点计时器接到电源的“直流输出”上,打点计时器需要交流电源。 (3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力;用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差;计算势能变化时,选取初、末两点距离过近;交流电源频率不稳定。 答案:(1)A、D (2)B (3)见解析 类型二 数据处理 【典例2】某实验小组“用落体法验证机械能守恒定 律”,实验装置如图甲所示。实验中测出重物自由下落 的高度h及对应的瞬时速度v,计算出重物减少的重力势 能mgh和增加的动能 mv2,然后进行比较,如果两者相 等或近似相等,即可验证重物自由下落过程中机械能守 恒。请根据
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