1、【 精品教育资源文库 】 实验 06 验证机械能守恒定律 (对应学生用书 P102) 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物体的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 、 刻度尺 、 铁架台 (附夹子 )、 导线两根 四 、 实验步骤 1 安装仪器 2 将纸带固定在重物上 ， 让纸带穿过打点计时器限位孔 3 用手提着纸带 ， 让重物靠近打点计时器并处于静止状态下 ， 然后接通电源 ， 松开纸带 ， 让重物自
2、由落下 ， 纸 带上打下一系列小点 4 从几条打下点的纸带中挑选出点迹清楚的纸带进行测量 5 在起始点标上 0， 在以后各点依次标上 1、 2、 3? ， 用刻度尺测出对应下落高度 h1、h2、 h3? (2018 重庆市一中月考 )(1)关于 “ 验证机械能守恒定律 ” 的实验中 ， 以下说法中正确的是 _ A 实验时需要称出重物的质量 B 实验中摩擦是不可避免的 ， 因此纸带越短越好 ， 因为纸带越短 ， 克服摩擦做的功就少 ， 误差就小 C 纸带上打下的第 1、 2 点间距超过 2 mm， 则无论怎样处理数据 ， 实验误差都会很大 D 实验处理数据时 ， 可 直接利用打下的实际点迹 ，
3、而不必采用 “ 计数点 ” 的方法 (2)若正确的操作完成实验 ， 正确的选出纸带进行测量 ， 量得连续三点 A、 B、 C 到第一个点 O的距离如下图所示 (相邻计数点时间间隔为 0.02 s)， 当地重力加速度的值为 9.8 m/s2，【 精品教育资源文库 】 那么 (结果均保留两位有效数字 ) 纸带的 _端与重物相连 打下计数点 B 时 ， 重物的速度 vB _m/s 在从起点 O 到打下计数点 B 的过程中 ， 测得重物重力势能的减少量 Ep略大于动能的增加量 Ek， 这是因为 _. 解析： (1)A 实验时动能的增加量与重力势能的减少量 ， 均含有质量 ， 因此不需称出重物的质量
4、， 故 A 错误； B 实验中摩擦是不可避免的 ， 因此纸带短点好 ， 因为纸带越短 ， 克服摩擦力做的功就越少 ， 但要通过测量长度来求出变化的高度与瞬时速度 ， 因此太短导致误差就越大 ， 故 B 错误； C若纸带上第 1、 2 两点间距大于 2 mm， 可在后面选取两个点用表达式 mg h 12mv22 12mv21依然可以来验证机械能守恒定律 ， 故 C 错误； D 处理打点的纸带时 ，可以直接利用打点计时器打出的实际点迹 ， 而不必采用 “ 计数点 ” 的方法 ， 若采用计数点 ，会使测量长度变长 ， 从而减小测量长度的误差 ， 故 D 正确故选 D (2) 重物在开始下落时速度较慢
5、 ， 在纸带上打的点较密 ， 越往后 ， 物体下落得越快 ，纸带上的点越稀 ， 所以纸带上靠近重物的一端的点较密 ， 因此纸带的左端与重物相连 根据匀变速直线运动中间时刻的速度等于该过程的平均速度有： vB xAC2T 220.02 m/s 0.98 m/s. Ep Ek 说明有部分重力势能变成了其他能 ， 是因为下落存在摩擦阻力和空气阻力的影响 答案： (1)D (2) 左 0.98 存在阻力做功 (对应学生用书 P103) 一 、 数据处理 计算速度 vn hn 1 hn 12T 方案一：利用起点和第 n 点：验证 ghn 12v2n 方案二：任取较远两点 A、 B： 验证 ghAB 12
6、v2B 12v2A 二 、 误差分析 1.减小测量误差：一是测下落距离时都从 0 点量起 ， 一次将各点对应下落高度测量完 ，二是多测几次取平均值 【 精品教育资源文库 】 2 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 Ek 12mv2n必定稍小于重力势能的减少量 Ep mghn， 改进办法是调整器材的安装 ， 尽可能地减小阻力 三 、 注意事项 1.打点计时器要竖直：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 重物密度要大：重物应选用质量大 、 体积小 、 密度大的材料 3 一先一后：应先接通电源 ， 让打点计时器正常工作 ， 后松开纸带
7、让重物下落 测长度 ， 算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用 vn dn 1 d n 12T ， 不能用 vn 2gdn或 vn gt 来计算 (2016 全国新课标卷 )某同学用图 (a)所示的实验装置验证机械能守恒定律 ，其中打点计时器的电源为交流电源 ， 可以使用的频率有 20 Hz、 30 Hz 和 40 Hz.打出纸带的一部分如图 (b)所示 图 (a) 图 (b) 该同学在实验中没有记录交流 电的频率 f， 需要用实验数据和其他题给条件进行推算 (1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落 ， 利用 f 和图 (b)中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出 B 点时 ， 重物下落的速度大
8、小为 _， 打出 C 点时重物下落的速度大小为 _， 重物下落的加速度大小为 _. (2)已测得 s1 8.89 cm， s2 9.50 cm， s3 10.10 cm；当重力加速度大小为 9.80 m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的 1 %.由此推算出 f 为 _Hz. 解析： (1)打 B 点时 ， 重物下落的速度等于 AC 段的平均速度 ， 所以 vB s1 s22T s1 s2 f2 ； 同理 ， 打出 C 点时 ， 重物下落的速度 vCs2 s32T s2 s3 f2 ； 加速度 as3 s12T2【 精品教育资源文库 】 s3 s1 f22 . (2)由牛顿第二定
9、律得： mg kmg ma， 解得： f k gs3 s1， 代入数值解得： f 40 Hz. 答案： (1)12(s1 s2)f 12(s2 s3)f 12(s3 s1)f2 (2)40 (对应学生用书 P103) 视角 1 实验器材 、 装置的改进 视角 2 速度测量方法的改进 由光电门计算速度 替代 测量纸带上各点速度 视角 3 实验方案的改进 利用自由落体运动的闪光照片验证机械能守恒定律 (2016 江苏卷 )某同学用如图所示的装置验证机械能守恒定律一根细线系住钢球 ， 悬挂在铁架台上 ， 钢 球静止于 A 点 ， 光电门固定在 A 的正下方 ， 在钢球底部竖直地粘住一片宽度为 d 的
10、遮光条将钢球拉至不同位置由静止释放 ， 遮光条经过光电门的挡光时间t 可由计时器测出 ， 取 v dt作为钢球经过 A 点时的速度记录钢球每次下落的高度 h 和计时器示数 t， 计算并比较钢球在释放点和 A 点之间的势能变化大小 Ep与动能变化大小 Ek，就能验证机械能是否守恒 (1) Ep mgh 计算钢球重力势能变化的大小 ， 式中钢球下落高度 h 应测量释放时的钢球球心到 _之间的竖直距离 A 钢球在 A 点时的顶端 B 钢球在 A 点时的球心 【 精品教育资源文库 】 C 钢球在 A 点时的底端 (2)用 Ek 12mv2计算钢球动能变化的大小 ， 用刻度尺测量遮光条宽度 ， 示数如
11、图所示 ，其读数为 _cm.某次测量中 ， 计时器的示数为 0.010 0 s， 则钢球的速度为 v_m/s. (3)下表为该同学的实验结果： Ep(10 2 J) 4.892 9.786 14.69 19.59 29.38 Ek(10 2 J) 5.04 10.1 15.1 20.0 29.8 他发现表中的 Ep与 Ek之间存在差异 ， 认为这是由于空气阻力造成的你是否同意他的观点？请说明理由 (4)请你提出一条减小上述差异的改进建议 解析： (1)钢球下落高度 h， 应测量释放时钢球心到钢球在 A 点时的球心之间的竖直距离 ， 故选 B (2)遮光条的宽度 d 1.50 cm， 钢球的速度 v dt 1.50 m/s (3)不同意 ， 因为空气阻力会造成 Ek小于 Ep， 但表中 Ek大于 Ep. (4)分别测出光电门和球心到悬点的长度 L 和 l， 计算 Ek时 ， 将 v 折算成钢球的速度v lLv. 答案： (1)B (2)1.50 1.50 (3)不同意 理由见解析 (4)见解析
