第5节　实验：验证机械能守恒定律 教学课件

物理第八章机械能守恒定律第5节实验：验证机械能守恒定律01基础储备明确原理02热点实验典例解读一、实验原理做自由落体运动的物体，在下落过程中，重力势能减少，动能增加，如果重力势能的减少量等于动能的增加量，就验证了机械能守恒定律．二、实验器材铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(4～6V)．三、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：从打好点的纸带中挑选点迹清晰且开始的两点间距接近2mm的一条纸带，在起始点标上0，以后任取间隔相同时间的点依次标上1、2、3、…，如图乙所示．4．测距离：用刻度尺测出0到1、2、3、…的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3、….方法三：图像法(如图所示)．

若在实验误差允许范围内图线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、误差分析本实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差以及重物和纸带运动过程中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差，减小偶然误差的方法是多测几次取平均值．六、实验注意事项1．打点计时器安装要稳固，并使两限位孔的中线在同一竖直线上，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，可使空气阻力的影响相对减小．3．实验时，应先接通电源，让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落．热点一实验原理与操作

【例1】“验证机械能守恒定律”的实验装置可以采用图示的甲或乙方案来进行．(1)比较这两种方案，______(选填“甲”或“乙”)方案好些．(2)在“验证机械能守恒定律”的实验中，直接测量的物理量是________．A．重力加速度 B．重物下落的高度C．重物下落的瞬时速度 D．重物下落的平均速度(3)在进行“验证机械能守恒定律”的实验时，应________．A．先释放纸带，再接通电源B．用手托住重物由静止释放C．根据v＝gt计算重物在t时刻的速度D．使重物下落的起始位置靠近打点计时器[解析]

(1)甲方案摩擦阻力小，误差小，而且方便操作，所用实验器材少，所以甲方案好些．(2)验证机械能守恒定律的实验，重力势能减少量等于动能的增加量，所以重力加速度是已知的，无须测量，A错误；实验要计算重力势能的减少量，所以需要测量重物下落的高度，B正确；本实验下落的瞬时速度是根据纸带处理得到，无法直接测量，而平均速度本实验用不到，C、D错误．(3)根据实验操作，接通电源打点稳定后，再释放纸带，A错误；释放时，纸带应竖直，减少与限位孔的摩擦，所以释放时，应按题图甲中所示的方式，B错误；因为要验证机械能守恒，所以速度需根据实际的纸带计算，而不能用自由落体公式计算，因为自由落体运动只受重力，机械能一定守恒，C错误；释放纸带前，重物应靠近打点计时器，这样可以充分利用纸带，D正确．[答案]

(1)甲(2)B

(3)D[针对训练1]利用如图所示装置做“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，打点计时器根据电源频率可以知道时间，故不需要停表，故A、B正确．答案：(1)A

(2)AB(2)图乙是该实验小组得到的一条点迹清晰的纸带，纸带上的O点是起始点，选取纸带上连续的点A、B、C、D、E、F作为计数点，并测出各计数点到O点的距离依次为27.94cm、32.78cm、38.02cm、43.65cm、49.66cm、56.07cm.已知打点计时器所用的电源是50Hz的交流电，重物的质量为0.5kg，则从计时器打下点O到打下点D的过程中，重物减小的重力势能ΔEp＝________J；重物增加的动能ΔEk＝________J，两者不完全相等的原因可能是__________________．(重力加速度g取9.8m/s2，计算结果保留3位有效数字)(3)实验小组的同学又正确计算出图乙中计数点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2倍[针对训练2]现利用如图所示装置验证机械能守恒定律．图中AB是固定的光滑斜面，斜面的倾角为30°，1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的光电计时器都没有画出．让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为5.00×10－2s、2.00×10－2s．已知滑块P质量为2.00kg，滑块沿斜面方向的长度为5.00cm，光电门1和2之间的距离为0.54m，g取9.80m/s2，取滑块经过光电门时的速度为其平均速度．(1)滑块经过光电门1时的速度v1＝________m/s，通过光电门2时的速度v2＝________m/s.(2)滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为________J，重力势能的减少量为________J.答案：(1)1.00

2.50

(2)5.25

5.292热点三实验拓展创新

【例3】某同学“验证机械能守恒定律”的实验装置如图所示．其中，A、B是由跨过定滑轮的细线连接着的两个物体，C是水平固定在A上的遮光条，1、2是水平固定在铁架台上的两个光电门．实验中，该同学先用手握住质量较大的A物体使细线绷直，接着由静止释放A，记录遮光条C通过光电门1、2的时间．(1)关于该实验，下列说法正确的是________和______．(填选项前字母)A．可以用橡皮筋替代细线B．A、B应选密度较大的实心物体C．遮光条的宽度应适当大一些D．光电门1、2间的高度差应适当大一些(2)若实验中已测出A、B、C的质量分别为M、m、m0，遮光条的宽度为d，光电门1、2间的高度差为h，还测出了某次实验中遮光条通过光电门1、2的时间分别为t1、t2，且查出当地重力加速度的大小为g.则物体A到达光电门1的速度大小为________；实验中要验证的关系为(M＋m0－m)gh＝________________________．[解析]

(1)若用橡皮筋替代细线，由牛顿第二定律知，释放A后的加速运动过程中，橡皮筋的伸长量大于系统静止时，即橡皮筋的弹性势能会增大，A、B组成的系统机械能不守恒，A错误；若A、B是密度较大的实心物体，则质量一定的情况下物体体积较小，运动过程中，空气阻力较小，造成系统机械能的损失较小，B正确；遮光条的宽度若较大，则A通过光电门时的瞬时速度测量误差较大，C错误；光电门1、2间的高度差大一些，高度测量的偶然误差会减小，D正确．【例4】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桌面上，桌面高度不低于1m，将导轨调至水平．②用游标卡尺测出挡光条的宽度l.③由导轨标尺读出两光电门中心间的距离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)用表示直接测量量的字母写出下列物理量的表达式．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，系统重力势能的减少量ΔEp＝____________(重力加速度为g)．(3)如果ΔEp＝________，则可认为验证了机械能守恒定律．[针对训练3]为了验证矩形线框自由下落过程中上、下边经过光电门时机械能是否守恒，使用了如图所示的实验装置．已知矩形线框用直径为d的圆柱形材料做成，用刻度尺