第8讲 实验:验证机械能守恒定律 一、实验装置 二、实验器材 打点计时器、交流电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线等。 三、实验步骤 1.安装器材:将打点计时器固定在铁架台上,用导线将打点计时器与交流电源相连。 2.打纸带:用手竖直提起纸带,使重物停靠在打点计时器下方附近,先接通电源,再松开纸带,让重物自由下落,打点计时器就在纸带上打出一系列的点,取下纸带,换上新的纸带重打几条(3~5条)。 3.选纸带:选出一条点迹清晰的纸带。 四、数据处理 1.求瞬时速度 由公式vn=可以计算出重物下落h1、h2、h3、…的高度时对应的瞬时速度v1、v2、v3、…。 2.验证守恒 方案一:利用起始点和第n点计算。 代入mghn和m,如果在实验误差允许的范围内,mghn和m相等,则验证了机械能守恒定律。 注意:应选取最初第1、2两点间距离接近2 mm的纸带(电源频率为50 Hz)。 方案二:任取两点计算。 (1)任取两点A、B,测出hAB,算出mghAB。 (2)算出m-m的值。 (3)在实验误差允许的范围内,若mghAB=m-m,则验证了机械能守恒定律。 方案三:图像法。 测量从第一点到其余各点的下落高度h,并计算对应速度v,然后以v2为纵轴,以h为横轴,根据实验数据作出v2-h图像。若在误差允许的范围内图像是一条过原点且斜率为g的直线,则验证了机械能守恒定律。 五、注意事项 1.打点计时器要竖直:安装打点计时器时要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直线上,以减小摩擦阻力。 2.重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。 3.应先接通电源,待打点计时器稳定后,松开纸带让重物下落。 4.测长度,算速度:某时刻的瞬时速度的计算应用vn=,不能用vn=或vn=gt来计算。 5.此实验中不需要测量重物的质量。 六、误差分析 1.系统误差 实验中因重物和纸带在下落过程中要克服阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功,故重物动能的增加量ΔEk稍小于其重力势能的减少量ΔEp,即ΔEk<ΔEp,这属于系统误差,改进的方法是调整器材的安装,尽可能地减小阻力。 2.偶然误差 实验的另一个误差来源于长度的测量,属于偶然误差。减小误差的方法是测下落距离时都从O点测量,一次将各点对应的下落高度测量完,或者多次测量取平均值。 考点一 基础性实验 [例1] 【实验原理与操作及数据处理】 (2024·湖南二模)某实验小组采用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。实验装置安装好后,用手提住纸带上端,之后让纸带由静止开始下落。 (1)关于下列实验操作,不必要或不正确的是 。(多选) A.实验前先用天平测出重物和夹子的质量 B.为减小阻力,用电火花计时器比用电磁打点计时器好一些 C.在重物大小合适的情况下,选择木块比选择铁块好 D.用秒表测出重物下落的时间 E.释放纸带前应先接通电源 (2)某次实验中所用重物的质量m=1 kg。某同学选取了一条纸带,如图乙所示,0是打下的第一个点,1、2、3、4是连续打的点,根据纸带上的测量数据,从打下点0至打下点3的过程中,重物重力势能的减少量为 J,动能增加量为 J。(打点计时器频率为50 Hz,g取9.8 m/s2,结果均保留3位有效数字) (3)若打点计时器的两限位孔不在同一竖直线上,这样会导致计算的动能增加量 (选填“>”“<”或“=”)重力势能减少量;其原因是 。 【答案】 (1)ACD (2)5.44 5.28 (3)见解析 【解析】 (1)由于验证机械能守恒定律的表达式中质量可以约去,所以不需要用天平测出重物和夹子的质量,故A错误,满足题意要求;为减小阻力,用电火花计时器比用电磁打点计时器好一些,故B正确,不满足题意要求;在重物大小合适的情况下,为了减小误差,选择铁块比选择木块好,故C错误,满足题意要求;由于通过打点计时器可以得到纸带上计数点间的时间间隔,所以不需要用秒表测出重物下落的时间,故D错误,满足题意要求;为了充分利用纸带,释放纸带前应先接通电源,故E ... ...
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