1、实验六验证机械能守恒定律一、实验目的验证机械能守恒定律。二、实验原理通过实验，求出做自由落体运动的物体重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。三、实验器材打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物(带夹子)、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线。四、实验步骤1安装置：按实验原理图将检查、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35次实验。3选纸带(1)用mghmv2来
2、验证，应选点迹清晰且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带。 (2)用mvmvmgh验证时，只要A、B之间的点迹清晰即可选用。五、实验结论在误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒。六、误差分析1测量误差：减小测量误差的方法，一是测下落距离时都从0点量起，用刻度尺一次将所打各点对应的下落高度测量完，二是多测几次取平均值。2系统误差：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量Ekmv必定稍小于重力势能的减少量Epmghn，改进办法是调整安装的器材，尽可能地减小阻力。七、注意事项1安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内，以减少摩擦阻力。2应选用质量大、体积小、密
3、度大的重物。3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。4测重物下落的高度h应用刻度尺直接测量，计算某时刻的瞬时速度时应用vn，不能用vn或vngt来计算。热点一实验原理和实验操作(2020海南省新高考一模)某同学用如图所示的装置验证机械能守恒定律。实验步骤如下：a用电磁铁吸住一个小铁球，将光电门A固定在立柱上，光电门B固定在立柱上的另一位置，调整它们的位置使三者在一条直线内；b切断电磁铁电源，小铁球开始下落，数字计时器测出小铁球通过光电门A和光电门B的时间分别为tA、tB。请回答下列问题：(1)切断电磁铁电源之前，需要调节底座螺丝，使立柱_，以确保小铁球能通过两个光电门；(
4、2)实验中还需要测量的物理量是_(填选项前的字母)。A小铁球的质量mB小铁球的直径dC光电门A、B间的距离hAB(3)小铁球经过光电门B时的速度可表示为_(用测量的物理量表示)。(4)在误差允许范围内，若满足关系式_，即可验证机械能守恒(用测量的物理量和重力加速度g表示)。解析(1)切断电磁铁电源之前，需要调节底座螺丝，使立柱竖直，以确保小铁球能通过两个光电门；(2)铁球通过光电门A、B的速度分别为vA和vB若从A到B机械能守恒，则mvmvmghAB即vv2ghAB，即2ghAB则实验中还需要测量的物理量是小铁球的直径d以及光电门A、B间的距离hAB，故选BC；(3)小铁球经过光电门B时的速度
5、可表示为vB；(4)在误差允许范围内，若满足关系式2ghAB，即可验证机械能守恒。答案(1)竖直(2)BC(3)vB(4)2ghAB【对点练1】(2020宁波质检)进行“验证机械能守恒定律”的实验中：(1)两实验小组同学分别采用了如图甲和乙所示的装置，采用两种不同的实验方案进行实验。在图甲中，下落物体应选择密度_(选填“大”或“小”)的重物；在图乙中，两个重物的质量关系是m1_(选填“”“”或“”)m2；采用图乙的方案进行实验，还需要的实验器材有交流电源，刻度尺和_；比较两种实验方案，你认为图_(选填“甲”或“乙”)所示实验方案更合理，理由是_。(2)有一同学采用了图甲所示的方案，选出一条纸带
6、如图丙所示，其中O点为起始点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通以50 Hz交流电，在计数点A和B之间、B和C之间还各有一个点，重物的质量为0.5 kg，g取9.8 m/s2。根据以上数据，打B点时重物的重力势能比开始下落时减少了_J，这时它的动能是_J，根据上面这两个数据你能得到的结论是：_。(结果保留3位有效数字)丙解析：(1)为了减小空气阻力的影响，选择体积小、密度大的重物；在题图乙中，m2在m1的拉力作用下向上运动，所以m1m2。两重物质量不等，分析系统损失的重力势能是否近似等于增加的动能时，两边质量不能约去，故需要天平测量两重物的质量。题图乙中所示实验还受到细线与滑轮的阻力的影响，
7、机械能损失较大，故题图甲所示实验方案较为合理。(2)重力势能减少量为EpmghOB0.867 J；打B点时重物的速度为vB，打B点时重物的动能为EkBm20.852 J，可见在误差允许的范围内，重物下落时机械能守恒。答案：(1)大天平甲图乙中还受到细线与滑轮的阻力的影响(2)0.8670.852在误差允许的范围内，重物下落时机械能守恒热点二数据处理和误差分析(2020嘉兴调研)如图甲所示的是用电火花计时器验证机械能守恒定律的实验装置。(1)若已知打点计时器的电源频率为50 Hz，当地的重力加速度g9.80 m/s2，重物质量为0.2 kg。实验中得到一条点迹清晰的纸带如图乙所示，打P点时，重物
8、的速度为零，A、B、C为另外3个连续点，根据图中的数据，可知重物由P点运动到B点，重力势能减少量Ep_J。(计算结果保留3位有效数字)(2)若PB的距离用h表示，打B点时重物的速度为vB，当两者间的关系式满足_时，说明下落过程中重物的机械能守恒(已知重力加速度为g)。(3)实验中发现重物增加的动能略小于减少的重力势能，其主要原因是_。A重物的质量过大B重物的体积过小C电源的电压偏低D重物及纸带在下落时受到阻力解析(1)重力势能减少量：Epmgh0.29.80.050 1 J9.82102 J。(2)要验证重物从P到B的过程中机械能守恒，则需满足mvmgh，即v2gh，说明下落过程中重物的机械能
9、守恒。(3)0重物的质量过大，重物和纸带受到的阻力相对较小，所以有利于减小误差，故A错误；重物的体积过小，有利于减小阻力，所以有利于减小误差，故B错误；电源的电压偏低，电磁铁产生的吸力就会减小，吸力不够，打出的点也就不清晰了，与误差的产生没有关系，故C错误；重物及纸带在下落时受到阻力，从能量转化的角度，由于阻力做功，重力势能除了转化为动能还有一部分转化为内能，所以重物增加的动能略小于减少的重力势能，故D正确。答案(1)9.82102(2)v2gh (3)D【对点练2】(2020天津市六校期末联考)“落体法”是验证机械能守恒定律的主要方法之一(如图甲)，某次操作得到了如图乙所示的纸带，已知打点周
10、期为T、重锤的质量为m，依次测出了各计时点到第一个计时点O的距离如图乙所示，请回答下列问题：(1)打A点时重锤的速度表达式vA_。若已经计算出A点和E点的速度分别为vA、vE，并且选取A到E的过程进行机械能守恒定律的验证，则需要验证的关系式为_。(2)如果某次实验时，发现重力势能的减小量比动能的增加量大很多，出现这种现象的原因可能是_。A重物质量测量得不准确B因为阻力的作用，所以实验误差很大，但也能验证机械能守恒定律成立C打点计时器两个限位孔不在同一条竖直线上，摩擦力或阻力太大导致的D实验时出现了先释放纸带，后接通电源这样的错误操作解析(1)根据匀变速直线运动的推论：某段时间内中间时刻的速度等
11、于这段时间的平均速度，故A点速度为vA从A到E过程，重力势能减少量为EpmghAEmg(h4h1)其动能增加量为EkmvmvvE若机械能守恒则有EpEk化简得g(h4h1)。(2)在该实验中，由于摩擦力、空气阻力等阻力的存在，重锤减小的重力势能总是稍稍大于重锤动能的增加量；若重锤减小的重力势能比重锤动能的增加量大得多，就要考虑阻力太大的原因。验证机械能守恒的式子为ghv2与质量无关，故A错误；若阻力作用很大，会出现重力势能减小量比动能的增加量大得多，不能验证机械能守恒定律成立，故B错误；若两限位孔不在同一条竖直线上，纸带和限位孔的阻力过大，会造成重力势能的减小量比动能的增加量大很多，故C正确；
12、若先释放纸带，后接通电源会出现计算动能增加量大于重力势能减少量，故D错误。答案(1)g(h4h1)(2)C热点三创新实验某物理兴趣小组发现直接利用“落体法”进行验证机械能守恒定律实验时，由于物体下落太快，实验现象稍纵即逝。为了让实验时间得以适当延长，设计了如图甲所示的实验方案，把质量分别为m1、m2(m1m2)的两物体通过一根跨过定滑轮(质量可忽略)的细线相连接，m2的下方连接在穿过打点计时器的纸带上。首先在外力的作用下两物体保持静止，开启打点计时器，稳定后释放m1和m2。(1)为了完成实验，需要的测量工具除了天平，还有_。(2)图乙是一条较为理想的纸带，O点是打点计时器打下的第一个点，计数点
13、间的距离如图乙所示。两相邻计数点间时间间隔为T，重力加速度为g(题中所有物理量符号都用国际单位)。在纸带上打下记数点“5”时物体的速度v5_(用题给物理量符号表示)；在打计数点“O”到打计数点“5”过程中，m1、m2 系统重力势能减少量Ep_(用题给物理量符号表示)，再求出此过程中系统动能的增加量，即可验证系统机械能是否守恒。解析(1)需要用刻度尺测量点之间的距离从而算出物体的运动速度和下降距离。(2)打下点“5”时物体的速度等于打下点“4”到点“6”间物体的平均速度，即v5由于m1下降，而m2上升，m1、m2组成的系统重力势能的减少量Ep(m1m2)gh2。答案(1)刻度尺(2)(m1m2)
14、gh2【对点练3】如图所示，利用气垫导轨进行“验证机械能守恒定律”实验的装置。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测出遮光条的宽度d；C将带有遮光条的滑块移至图示的位置，测出遮光条到光电门的距离l；D释放滑块，读出遮光条通过光电门的遮光时间t；E用天平称出托盘和砝码的总质量m；F已知重力加速度为g。请回答下列问题：(1)为验证机械能守恒定律，还需要测的物理量是_(写出要测的物理量名称及对应物理量的符号)；(2)滑块从静止释放，运动到光电门的过程中，所要验证的机械能守恒的表达式_(用上述物理量符号表示)。解析：(1)根据瞬时速度的定义式可知，遮光条通过光电门的速率v令滑块
15、和遮光条的总质量为M，托盘和砝码下落过程中，系统增加的动能为Ek(Mm)v2根据题意可知，系统减少的重力势能即为托盘和砝码减少的重力势能，即为Epmgl为了验证机械能守恒定律，需满足的关系是mgl实验中还要测量的物理量为滑块和遮光条的总质量M。(2)滑块从静止释放，运动到光电门的过程中，所要验证的机械能守恒的表达式mgl。答案：(1)滑块和遮光条的总质量M(2)mgl【对点练4】某同学用光电门和力传感器来研究单摆运动时小球在最低点时细线拉力与小球速度的关系。如图甲所示，用光电门测量小球经过最低点A时的挡光时间t，同时用传感器测量细线对小球的拉力大小F。(1)用螺旋测微器测量钢球的直径d，如图乙
16、所示，则d_mm；通过公式v就可以测出小球通过最低点的速度；(2)实验时，要采用控制变量法，保持小球质量m和_不变，通过改变单摆最大摆角，来改变小球到达最低点的速度，这样就能得到一组数据，从而完成实验研究。某实验小组同学用测量的数据，在F坐标中画出如图丙所示图象，得到了第一个结论：小球在最低点受到细线拉力随速度的增大而_(选填“线性”或“非线性”)增大；为了进一步探究拉力和速度的定量关系，该小组作出了以下几种图象，能直接从图象中得到定量关系的是图_。解析：(1)螺旋测微器的固定刻度为6.5 mm，可动刻度为48.50.01 mm0.485 mm，所以最终读数为6.5 mm0.485 mm6.985 mm；(2)由实验原理有mgL(1cos )mv2Fmgm可知，实验时，要采用控制变量法，保持小球质量m和摆长不变；由题图丙可知，小球在最低点受到细线拉力随速度的增大而非线性增大由实验原理有Fmgm，即Fmg则能直接从图象中得到定量关系的是图A。答案：(1)6.985(6.9836.987均可)(2)细线长度(或摆长)非线性A
