2022届高考物理一轮突破实验七 验证机械能守恒定律

实验七　验证机械能守恒定律 【实验过程】 1．安装置：如图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。 2．打纸带：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，关闭电源，取下纸带。更换纸带重复3～5次上一过程。 3．选纸带：分两种情况说明 (1)用mv＝mghn验证时，应选点迹清晰，且第1、2两点间距离接近2 mm的纸带。若第1、2两点间的距离大于2 mm，则可能是先释放纸带后接通电源造成的。这样，第1个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选。 (2)用mv－mv＝mgΔh验证时，处理纸带时不必从起始点开始计算重力势能变化量的大小，这样，纸带上打出的起始点O后的第一个0.02 s内的位移是否接近2 mm，以及第一个点是否清晰也就无关紧要了，实验打出的任何一条纸带，只要后面的点迹清晰，就可以用来验证机械能守恒定律。 【数据处理】 1．测量计算：在起始点标上0，在以后各计数点依次标上1、2、3…，用刻度尺测出对应下落高度h1、h2、h3…。 利用公式vn＝计算出点1、点2、点3…的瞬时速度v1、v2、v3…。 2．验证机械能守恒： 方法一：利用起始点和第n点计算。计算ghn和v，如果在实验误差允许的条件下，ghn＝v，则验证了机械能守恒定律。(此方法要求所选纸带必须点迹清晰且第1、2两点间距离接近2 mm) 方法二：任取两点计算。 ①任取两点A、B测出hAB，算出ghAB。 ②算出v－v的值。 ③在实验误差允许的范围内，如果ghAB＝v－v，则验证了机械能守恒定律。 方法三：图象法。从纸带上选取多个点，测量从第一个点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2­h图线。若在误差允许的范围内图象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。 【误差分析】 1．系统误差：本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk<ΔEp。改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。 2．偶然误差：本实验在长度测量时产生的误差。减小误差的办法是测下落距离时都从起始点量起，一次将各点对应的下落高度测量完，多次测量取平均值来减小误差。 【注意事项】 1．打点计时器要稳定地固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调整到竖直方向，以减小摩擦阻力。 2．重物要选用密度大、体积小的物体，这样可以减小空气阻力的影响，从而减小实验误差。 3．实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，待接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带。 4．测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不宜过长，有效长度可在60～80 cm之间。 5．不需要测出重物质量，只需验证v＝ghn即可。 6．速度不能用vn＝gtn或vn＝计算，因为只要认为加速度为g，就满足机械能守恒的条件，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，所以速度应从纸带上直接测量计算。同样的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接测量，而不能用hn＝gt或hn＝计算得到。 【实验创新】 验证机械能守恒定律实验，综合性较强，涉及的基础实验理论较多，发散性比较明显。 1．重物下落过程中通过某一位置的速度可以用光电计时器测出来，利用这种装置验证机械能守恒定律，能消除纸带与限位孔的摩擦阻力带来的系统误差。 2．整个实验装置可以放在真空的环境中操作，如用牛顿管和频闪照相进行验证，以消除由于空气阻力作用而带来的误差。 3．为防止重物被释放时的初速度不为零，可将装置改成如图所示形式，剪断纸带最上端，让重物从静止开始下落。 视角一：不改变实验目的，实验目的仍为验证机械能守恒定律，但实验装置发生了变化。 视角二：不改变实验装置，改变或拓展实验目的，利用该装置可以测量力与加速度等。 教材原型实验 【典例1】图1是某同学验证机械能守恒定律实验装置，提供的器材如下：铁架台、电磁打点计时器、学生电源、导线若干、纸带、重锤、铁夹。当地的重力加速度g取9.8 m/s2。 (1)该同学还应补充的实验器材是__________。 (2)图2是该同学将打点计时器连接至电源的情景，连接正确的是__________(选填“甲”或“乙”)。 (3)该同学实验中得到的一条纸带如图3所示，已知打点计时器无故障且打点正常，则由此判断该同学在实验中最有可能的错误操作是________________________________________________________________________。 (4)该同学正确操作得