第6节 实验：验证机械能守恒定律

第6节实验：验证机械能守恒定律

实验目的验证只有重力做功时，系统的机械能守恒。

实验原理与设计1．实验的基本思想——验证性实验

让重物自由下落，忽略阻力情况下重物的机械能守恒，有两种方案验证重物的机械能守恒：

实验器材

铁架台(带铁夹)、电火花打点计时器、重物(带纸带夹子)、纸带、导线、毫米刻度尺、交流电源等。

实验步骤1．安装置：按如图所示将检查、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。更换纸带重复做3～5次实验。3．选纸带：选取点迹较为清晰且前两点间的距离约为2mm的纸带，把纸带上打出的两点间的距离为2mm的第一个点作为起始点，记作O，在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、3…4．测距离：用刻度尺测出O点到计数点1、2、3…的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3…

注意事项1．应尽可能控制实验，满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：(1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力。(2)应选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，使空气阻力减小。2．实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直。接通电源后，等打点计时器工作稳定再松开纸带。

实验原理与操作[典例1]用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源，输出低压交流电和直流电两种，重物从高处由静止开始落下，重物拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。(1)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件；B．将打点计时器接到电源的直流输出端上；C．用天平测量出重物的质量；D．释放悬挂纸带的夹子，接通电源开关打出一条纸带；E．测量打出的纸带上某些点之间的距离；F．根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。其中没有必要进行的步骤是________；操作不恰当的步骤是________。(2)某同学做“验证机械能守恒定律”的实验时，打下的一条纸带如图所示，0点为起始点，测得3点、6点、9点与第一点0间的距离分别为hA＝1.75cm，hB＝7.00cm，hC＝15.70cm，交流电的周期是0.02s，当地的重力加速度g＝9.8m/s2，设重物的质量是m＝1.00kg，则从0点到6点，重物的动能增量ΔEk＝________J，重物重力势能减少量ΔEp＝________J。(均保留两位有效数字)关于实验操作的三点提醒(1)本实验不需要测量重物的质量。(2)打点计时器连接的应该是交流电源。(3)实验时应该先接通电源后释放重物。(3)实验小组的同学又正确计算出图乙中打下计数点A、B、C、D、E、F各点的瞬时速度v，以各计数点到A点的距离h′为横轴，v2为纵轴作出图像，如图丙所示，根据作出的图线，能粗略验证自由下落的物体机械能守恒的依据是____________________________________________________________________。

创新考查角度和创新思维1．[实验器材的创新]利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图所示。(1)实验步骤：①将气垫导轨放在水平面上，桌面高度不低于1m，将导轨调至水平；②用游标卡尺测量挡光条的宽度为l＝9.30mm；③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝_______cm；④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2；⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m。(2)用表示直接测量的物理量字母写出下列所示物理量的表达式：①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1＝________和v2＝________。②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1＝________和Ek2＝________。③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量ΔEp减＝________(重力加速度为g)。(3)如果ΔEp减＝________，则可认为验证了机械能守恒定律。③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量ΔEp减＝mgs。(3)如果ΔEp减＝Ek2－Ek1，两者在误差允许范围内相等，则可认为验证了机械能守恒定律。2．[实验原理的创新]如图所示装置可用来验证机械能守恒定律。

长度为L的轻绳一端固定在O点，另一端系一摆锤A(可视为质

点)，在A上放一个小铁片。现将摆锤拉起，使绳偏离竖直方向

θ角，由静止开始释放摆锤，当其到达最低位置时，受到竖直

挡板P阻挡而停止运动，这时铁片将做平抛运动而飞离摆锤，用刻度尺量出铁片的水平位移为x，下落高度为H。(1)要验证摆锤在运动中机械能守恒，必须求出摆锤初始位置离最低点的高度，其高度应为________。(2)用实验中测得的物理量求出摆锤在最低点时的速度，其速度应为____________。(3)用实验中测量的物理量写出验证摆锤在运动中机械能守恒的关系式为__________________。1．在做“验证机械能守恒定律”的实验时，发现重物减少的重力势能总是略大于重物增加的动能，造成这种现象的主要原因是

(

)A．选用的重物质量过大B．选用的重物质量过小C．空气对重物的阻力和打点计时器对纸带的阻力D．实验时操作不规范，实验数据测量不准确解析：造成题中所述误差的主要原因是来自各方面的阻力，选项C正确。答案：C

2．做“验证机械能守恒定律”的实验，已有铁架台、铁夹、电源、纸带、打点计时器，还必须选取的器材是图中的____________(填字母)。某同学在实验过程中，①在重锤的正下方地面铺海绵；②调整打点计时器的两个限位孔连线为竖直；③重复多次实验。以上操作可减小实验误差的是____________(填序号)。解析：需要选取的器材是重锤和刻度尺，故选B、D；能减小实验误差的操作是②③。答案：BD

②③3．利用图示装置做“验证机械能守恒定律”实验。(1)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的________。A．动能变化量与势能变化量B．速度变化量和势能变化量C．速度变化量和高度变化量(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的器材是________。A．已知频率的交流电源 B．刻度尺C．天平(含砝码) D．停表解析：(1)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间动能的增加量和重力势能的减少量是否相等，故A正确。(2)打点计时器使用交流电源，实验中需要测量点迹间的距离，从而得出瞬时速度和下降的高度，所以需要刻度尺。实验中验证动能的增加量和重力势能的减少量是否相等，质量可以约去，不需要测量质量，则不需要天平，打点计时器通过已知频率的交流电源可以知道时间，故不需要停表，故A、B正确。答案：(1)A

(2)AB4. (2022·达州高一检测)如图甲是利用重物自由下落“验证机械能守恒定律”的实验装置。(1)在“验证机械能守恒定律”的实验中，没有必要进行的操作是________。A．用天平测重物的质量B．用秒表测重物下落的时间C．用打点计时器记录重物下落的信息D．用纸带记录的点来测量重物下落的高度(2)该实验所用打点计时器的电源频率为50Hz，如图乙所示，A、B、C为纸带中选取的三个计数点，每两个计数点之间还有4个点未画出，则每两个计数点之间的时间间隔T＝________s，打点计时器在打下计数点B时，物体的下落速度为vB＝________m/s。(小数点后保留两位有效数字)(3)由于该实验中存在阻力做功，所以实验测得的重物的重力势能的减少量________(选填“<”“>”或“＝”)动能的增加量。5. 某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律，频闪仪每隔0.05s闪光一次，如图所标数据为实际距离，该同学通过计算得到不同时刻的速度如下表。(当地重力加速度g取9.8m/s2，小球质量m＝0.2kg，结果保留3位有效数字)时刻t2t3t4t5速度/(m·s－1)4.994.483.98

(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5＝________m/s；(2)从t2到t5时间内，重力势能增量Δ