4.6 实验：验证机械能守恒定律-2025版高中物理必修二同课异构课件

6实验：验证机械能守恒定律实验必备自主学习实验研析创新学习课堂检测素养达标一、实验目的验证只有重力做功时，系统的机械能守恒。二、实验器材铁架台(带铁夹)、电火花打点计时器、重物(带夹纸带的夹子)、纸带、导线、毫米刻度尺、低压交流电源。三、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：2．实验设计——两个物理量的测量方法(1)高度h的测量用刻度尺测量重物下落过程的高度h。(2)速度v的测量利用匀变速直线运动中某段时间的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度来求某点的瞬时速度。四、实验步骤1．安装置：按图将检查、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有两点间的距离约为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1、2、3…的距离，即对应下落的高度h1、h2、h3…六、误差分析1．在进行长度测量时，测量及读数不准造成偶然误差。2．系统误差的主要来源是重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内能，下落高度越大，机械能损失越多，所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象。3．由于交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而产生系统误差。(1)对于该实验，下列操作正确的是______。A．实验时应选用密度小、体积大、下端有橡胶垫的重锤B．用手托稳重物，先接通电源后再释放重物C．本实验需要测出重物的质量D．选用电火花打点计时器而不用电磁打点计时器更有利于减少实验误差(2)某小组利用上述装置获得一条纸带，在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离为h，计算打下对应计数点时重物的速度为v，描绘的v2­h图像如乙中图线a所示，斜率接近________(用相关物理量符号表示)即可认为在误差允许范围内机械能守恒。若另一组同学得到的图线为b，斜率明显偏小的原因可能是________________________________________________________________________(写出一条即可)。[解析]

(1)实验时应选用密度大、体积小，并且下端有橡胶垫的重锤，可以减小空气阻力的影响，故A错误；手拉着纸带上端处于竖直面，先接通电源后再释放纸带，不是用手托稳重物，故B错误；验证机械能守恒定律实验中，等式两边均有质量，因此实验不需要测出重物的质量，故C错误；从两打点计时器的工作原理来分析，电火花计时器受到阻力相对较小，因此用电火花打点计时器而不用电磁打点计时器更有利于减少实验误差，故D正确。[答案]

(1)D

(2)2g

下落过程中重物受到空气阻力、纸带与电火花打点计时器存在阻力等(1)除打点计时器、纸带、铁架台(含铁夹)、带夹子的重物、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的器材是________。A．直流电源

B．交流电源C．刻度尺

D.秒表(2)实验室供选择的重物有以下三个，为减小实验误差应选择________。A．质量为100g的木球B．质量为100g的钩码C．质量为10g的塑料球(3)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．动能变化量与重力势能变化量B．速度变化量与重力势能变化量C．速度变化量与下落高度变化量(4)实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图乙所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点1、2、3，测得它们到起始点0的距离分别为h1、h2、h3，已知当地重力加速度为g，设重物的质量为m。从打0点到打2点的过程中，重物的重力势能减少量为________，动能增加量为________。(5)实验中由于受到空气阻力和摩擦阻力的影响，实验结果往往导致动能的增加量________重力势能减小量。A．略小于

B．略大于C．等于[解析]

(1)打点计时器使用交流电源，故A错误，B正确；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，故C正确；打点计时器能算出时间，不需要秒表，故D错误。(2)由于实验中受到空气阻力和纸带的摩擦阻力，所以我们应找体积较小、质量较大的物体作为研究对象，故B正确，A、C错误。(3)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小量是否相等，故A正确，B、C错误。(5)由于纸带在下落过程中，重物和空气之间存在阻力，纸带和打点计时器之间存在摩擦力，所以减小的重力势能一部分转化为动能，还有一部分要克服空气阻力和摩擦阻力做功，故重力势能的减少量略大于动能的增加量，故A正确，B、C错误。(1)主要实验步骤如下：A．将气垫导轨放在水平桌面上，并调至水平；B．用游标卡尺测出挡光条的宽度l；C．由导轨标尺读出两个光电门中心之间的距离x＝________cm；D．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能通过光电门2；E．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；F．用天平称出托盘和砝码的总质量m；G．……(2)请回答下列问题：(重力加速度取g)①为验证机械能守恒定律，还需要测的物理量是________________________；②滑块通过光电门1和光电门2的瞬时速度分别为v1＝________和v2＝________(用测量的字母表示)；③在实验误差范围内，如果关系式________________________(用测量的字母表示)成立，则可认为验证了机械能守恒定律。(1)利用光电门测量速度更加准确、方便；(2)利用气垫导轨和滑块，能有效地减小实验误差。1．在“利用自由落体运动验证机械能守恒定律”的实验中，下列操作对减小实验误差有利的是(

)A．精确测量出重物的质量B．选择体积大、质量小的重物C．两限位孔在同一竖直平面内上下对正D．用手托稳重物，接通电源后，撒手释放重物答案：C2.如图所示，两个质量分别为m1和m2的小物块A和B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1>m2。现要利用此装置验证机械能守恒定律。(1)若选定物块A从静止开始下落的过程进行测量，则需要测量的物理量有________。(在横线上填入选项前的编号)①物块的质量m1、m2；②物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间；③物块B上升的距离及上升这段距离所用的时间；④绳子的长度。(2)为提高实验结果的准确程度，某小组同学对此实验提出以下建议：①绳的质量要轻；②在“轻质绳”的前提下，绳子越长越好；③尽量保证物块只沿竖直方向运动，不要摇晃；④两个物块的质量之差要尽可能小。以上建议中确实对提高准确程度有作用的是________________。(在横线上填入选项前的编号)(3)写出一条上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议：______________________________________________________________________________________________________________________。(2)由上述分析可见，没有考虑软绳机械能的变化，故采用轻绳以忽略绳的机械能，计算A、B速度时考虑的是二者沿绳方向的速度，故应保持两物块只沿竖直方向运动，不要摇晃，绳的长短与m1和m2的质量关系对实验无影响，故选①③。(3)可从实验条件和测量的量出发考虑问题：如：“对同一高度进行多次测量取平均值”，以减小偶然误差；“选取受力后伸长量相对小的绳子”，使A、B运动的距离相同。答案：(1)①②或①③

(2)①③

(3)对同一高度多次测量求平均值或选受力后伸长量相对小的绳子等3．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表，当地重力加速度取9.8m/s2，小球质量m＝0.40kg，计算结果均保留两位小数。时刻t2t3t4t5速度(m·s－1)4.794.283.28(1)由频闪照片上的数据计算t4时刻小球的速度v4＝________

m/s；(2)从t2到t4时间内，重力势能增量ΔEp＝________J，动能减少量ΔEk＝________J；(3)实验结论是_________________________________________，引起本实验误差的主要原因是_____________________________________________________________________________________________。(3)由于小球受到空气阻力作用，导致动能减小量没有全部转化为重力势能，因此ΔEp＜ΔEk。那么实验结论是：在误差允许的范围内，ΔEp与ΔEk近似相等，即可验证机械能守恒定律。答案：(1)3.78

(2)1.68

1.72

(3)在误差允许的范围内，ΔEp与ΔEk近似相等，即可验证机械能守恒定律小球受到空气阻力作用4．如图所示，用光电门等器材验证机械能守恒定律。直径为d、质量为m的金属小球从A点由静止释放，下落过程中经过A点正下方的位置B，B处固定有光电门，测得A、B间的距离为H(H≫d)，光电门测出小球通过光电门的时间为t，当地的重力加速度为g，则：5．某同学在验证机械能守恒定律的实验中，设计了如图甲所示的拓展实验装置，其中a、b、c是三个质量均为500g的重物，它们挂在跨过定滑轮的一条轻绳上三个适当位置，c的下方拖着一条穿过打点计时器的纸带。实验时，先把c移到靠近打点计时器的地方，并测出此时a离地面的高度为25.00cm，接着接通电源，释放c，得到如图乙所示的纸带，电源频率为50Hz，其中相邻两计数点间还有4个点未画出，重力加速度为9.8m/s2。(1)由图乙可知，a落地后，c做________运动；(2)从开始下落到a将要落地的过程中，a、b、c系统减少的重力势能为________J，增加的动能为_____