第5节 实验：验证机械能守恒定律

第

5节实验：验证机械能守恒定律

实验目的1．通过实验研究物体运动过程中动能与重力势能的变化，从而验证机械能守恒定律。2．练习使用打点计时器或气垫导轨等器材验证机械能守恒定律。

实验思路思路1：自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。思路2：物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力与物体位移方向垂直(如图所示)，对物体不做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。思路3：用细线悬挂的小球摆动时，细线的拉力与小球的运动方向垂直，对小球不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有重力做功，也满足机械能守恒的条件。

实验器材铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重锤(带纸带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源。

实验步骤1．安装装置：按图甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好。2．打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下落。重复几次，得到3～5条打好点的纸带。3．选纸带并测量：选择一条点迹清晰的纸带，确定要研究的开始和结束的位置，测量并计算出两位置之间的距离Δh及在两位置时纸带的速度，代入表达式进行验证。

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。[典例1]如图所示为用打点计时器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，下列物理量中要用工具测量和通过计算得到的有

。A．重锤的质量B．重力加速度C．重锤下落的高度D．与重锤下落高度对应的重锤瞬时速度实验原理与操作在以上步骤中，不必要的步骤是

；有错误或不妥的步骤是

(填写代表字母)；更正情况是①

，②

，③

，④

。(3)实验时，应使打点计时器的两个限位孔在同一竖直线上，这样做可以______(选填“消除”“减小”或“增大”)纸带与限位孔之间的摩擦。(4)在实际测量中，重物减少的重力势能通常会

(选填“略大于”“等于”或“略小于”)增加的动能。(4)实际实验中，重锤要受到空气阻力，纸带和打点计时器的振针和限位孔之间有摩擦力，故重物下落时要克服这些阻力做功，重力势能不能全部转化为动能，有一小部分转化为内能，故重物减少的重力势能通常会略大于增加的动能。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。

数据处理与误差分析(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

。[答案]

(1)BC

(2)2.14

2.12重物下落过程中受到阻力作用(3)图像的斜率等于19.52，约为重力加速度g的两倍，故能验证机械能守恒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；创新考查角度和创新思维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s，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．在做“验证自由落体运动中的机械能守恒定律”实验中：(1)下列仪器需要用到的是

；(2)在进行实验时，下列说法正确的是

；A．应用手托住重物由静止释放B．纸带与重物相连端的点迹较密C．可以取连续的几个点为计数点D．应用手接住下落的重物，以免造成实验仪器损坏(3)如图所示为实验时打出的一条纸带，则A的速度大小为

m/s(保留3位有效数字，纸带上相邻两点间的时间间隔为0.02s)。答案：(1)CE

(2)BC

(3)1.344．在“验证机械能守恒定律”实验中，某同学用如图1所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图2所示。O点是打下的第一个点，A、B、C和D为

另外4个连续打下的点。(1)为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是

。(2)已知交流电频率为50Hz，重物质量为200g，当地重力加速度g＝9.80m/s2，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值|ΔEp|＝

J、C点的动能EkC＝

______J(