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(共48张PPT)
第五章
机械能守恒定律
实验7　验证机械能守恒定律
1.掌握用自由落体法验证机械能守恒定律的实验原理、操作、数据处理、误差分析等。2.会分析拓展、创新类实验。
实验储备·归纳
自主落实 回扣教材
实验类型·突破
关键能力 深度剖析
考向1　实验原理和操作
【典例1】　某项目研究小组的同学要探究重锤下落过程中的重力势能与动能变化之间的对应关系,由此他们借助于铁架台和电磁打点计时器组装了如图甲所示的实验装置。
类型1　实验基本技能应用
(1)电磁打点计时器所用电源是____________(填“交流电源”或“直流电源”),工作电压约为________V。
(2)探究过程中需要直接测量的物理量是________,通过计算得到的物理量是________。(均填选项字母)
A.重锤质量 B.重力加速度
C.重锤下落的高度 D.与下落高度对应的重锤的瞬时速度
(3)设重锤质量为m、打点计时器的打点周期为T、重力加速度为g。图乙是实验得到的一条纸带,A、B、C、D、E为相邻的连续点。根据测得的x1、x2、x3、x4,写出重锤由B点到D点重力势能减少量的表达式_________________,动能增加量的表达式________________。由于重锤下落时要克服阻力做功,所以该实验的动能增加量总是________ (填“大于”“等于”或“小于”)重力势能的减少量。
解析　(1)电磁打点计时器所用电源是利用交流电源工作的一种计时仪器,它的工作电压为8 V。
(2)实验探究过程中利用刻度尺与纸带直接测量的物理量是重锤下落的高度,利用匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度与全程平均速度相等,计算得到的物理量是与下落高度对应的重锤的瞬时速度。


考向2　数据处理和误差分析
【典例2】　某同学用落体法验证机械能守恒定律,装置如图甲所示。
(1)实验装置中一处明显的错误是_________________________。
(2)正确接好实验装置进行实验,实验打出的一条纸带如图乙所示,在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C,测得它们到起始点O的距离分别为xA、xB、xC。已知当地重力加速度为g,打点计时器打点的周期为T,重物的质量为m,从打下O点到打下B点的过程,重物的重力势能减少量ΔEp=________,动能增加量ΔEk=________________。(均用已知物理量符号表示)




考向1　实验装置改变
【典例3】　小明利用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律,所用器材包括:安装phyphox　APP的智能手机、铁球、刻度尺、钢尺等。
类型2　实验的迁移、拓展和创新
(1)下列实验操作步骤,正确顺序是________。
①将质量为m的铁球放在钢尺末端
②迅速敲击钢尺侧面,铁球自由下落
③传感器记录下声音振幅随时间变化曲线
④将钢尺伸出水平桌面少许,用刻度尺测出钢尺上表面与地板间的高度差h
⑤将手机位于桌面上方,运行手机中的声音“振幅”(声音传感器)项目
(2)声音振幅随时间变化曲线如图乙所示,第一、第二个尖峰的横坐标分别对应铁球开始下落和落地时刻,对应的时间间隔t=________s。
(3)若铁球下落过程中机械能守恒,则应满足等式:mgh=______(用m、h、t表示)。
(4)若敲击钢尺侧面时铁球获得一个较小的水平速度,对实验测量结果________(填“有”或“没有”)影响。
解析　(1)首先应将钢尺伸出水平桌面,用刻度尺测出钢尺上表面与地板间的高度差,然后将铁球放在钢尺末端,手机开始运行手机中的声音“振幅”(声音传感器)项目,再迅速敲击钢尺侧面,使铁球自由下落,此时传感器即可记录下声音振幅随时间变化曲线,故操作步骤顺序为④①⑤②③。
(2)由题图乙可知,时间间隔为0.40 s。


考向2　实验方案创新
【典例4】　某同学利用如图所示的装置验证机械能守恒定律,已知当地重力加速度为g。主要实验步骤如下:
①用游标卡尺测量挡光片的宽度d,用量角器测出气垫导轨的倾角θ;
②测量挡光片到光电门的距离L;
③由静止释放滑块,记录数字计时器显示挡光片的挡光时间t;
④改变L,测出不同L所对应的挡光时间t;
⑤用天平测出滑块和挡光片的总质量m;




考向3　实验目的改变
【典例5】　(2022·广东卷)某实验小组为测量小球从某一高度释放,与某种橡胶材料碰撞导致的机械能损失,设计了如图甲所示的装置,实验过程如下:
(1)让小球从某一高度由静止释放,与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门位置,使小球从光电门正上方释放后,在下落和反弹过程中均可通过光电门。
(2)用螺旋测微器测量小球的直径,示数如图乙所示,小球直径d=________mm。
(3)测量时,应________(填“A”或“B”,其中A为“先释放小球,后接通数字计时器”,B为“先接通数字计时器,后释放小球”)。记录小球第一次和第二次通过光电门的遮光时间t1和t2。
(4)计算小球通过光电门的速度,已知小球的质量为m,可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失ΔE=_________________(用字母m、d、t1和t2表示)。
(5)若适当调高光电门的高度,将会________(填“增大”或“减小”)因空气阻力引起的测量误差。

(5)若调高光电门的高度,较调整之前小球会经历较大的空中距离,所以将会增大因空气阻力引起的测量误差。

高效训练·提能
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(3)下表为该同学的实验结果:
ΔEp/(10-2 J) 4.892 9.786 14.69 19.59 29.38
ΔEk/(10-2 J) 5.04 10.1 15.1 20.0 29.8
他发现表中的ΔEp与ΔEk之间存在差异,认为这是由空气阻力造成的。你是否同意他的观点 请说明理由。______________________。
(4)请你提出一条减小上述差异的改进建议。
________________________________________________。


答案　(1)B　(2)1.50(1.49~1.51都算对)　1.50(1.49~1.51都算对)　 (3)不同意,因为空气阻力会造成ΔEk小于ΔEp,但表中ΔEk大于ΔEp　 (4)见解析
2.用如图甲所示的实验装置验证A、B组成的系统机械能守恒。B从高处由静止开始下落,A上拖着的纸带打出一系列的点,对纸带上的点迹进行测量,即可验证机械能守恒定律。如图乙给出的是实验中获取的一条纸带,0是打下的第一个点,每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出), 所用电源的频率为50 Hz。已知A的质量m1=50 g,B的质量m2=150 g。 (结果均保留2位有效数字)
(1)在纸带上打下计数点5时的速度v5=________m/s。
(2)在打下0点到打下计数点5的过程中系统动能的增加量ΔEk=________J,系统重力势能的减少量ΔEp=________J。(当地的重力加速度g取10 m/s2)


答案　(1)2.4　(2)0.58　0.60　(3)9.7
3.某实验小组利用如图甲所示的实验装置,探究轻质弹簧的弹性势能与形变量的关系,光滑水平桌面距地面高为h,一轻质弹簧左端固定,右端与质量为m的小钢球接触,弹簧处于原长时,将小球向左推,压缩弹簧一段距离后由静止释放,在弹簧弹力的作用下,小球从桌子边缘水平飞出,小球落到位于水平地面的复写纸上,从而在复写纸下方的白纸P点留下痕
迹。(已知重力加速度为g)
(1)实验测得小球的落点P到O点的距离为l,那么由理论分析得到小球释放前压缩弹簧的弹性势能Ep与h、l、mg之间的关系式为________。
(2)改变弹簧压缩量进行多次实验,测量数据如下表所示,请在图乙坐标纸上作出x-l图像。
弹簧压缩量 x/m 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120
小球飞行的水平距离l/m 0.5 1.0 1.5 2.4 2.6 3.0
(3)由图像得出x与l的关系式为________;由实验得到弹簧弹性势能Ep与弹簧压缩量x之间的关系式为________________。

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