8.5 實驗：驗證機械能守恒定律

第八章第5節(jié)驗證機械能守恒定律

人教版

高中物理必修二01020304方案二：光滑斜面方案一：自由落體方案三：系統(tǒng)守恒方案四：創(chuàng)新設(shè)計

機械能守恒定律告訴我們，在只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動能與勢能相互轉(zhuǎn)化時總的機械能保持不變。那么，我們可以通過什么樣的實驗來驗證這一定律呢？課堂引入第一部分：自由落體法一、實驗原理及思路【原理】物體自由下落時，如果不計空氣阻力，物體的機械能守恒，即重力勢能的減少等于動能的增加?！舅悸贰咳粢灾匚锵侣涞钠鹗键cO為基準，設(shè)重物的質(zhì)量為m，測出物體自起始點O下落距離h時的速度v，則在誤差允許范圍內(nèi)，若有

即驗證了機械能守恒定律。hvO還有沒有其他思路呢？二、思路拓展

若以重物下落過程中的某一點A為基準，設(shè)重物的質(zhì)量為m，測出物體對應(yīng)于A點的速度vA

再測出物體由A點下落△h后經(jīng)過B點的速度vB,則在誤差允許范圍內(nèi)，若有

即驗證了機械能守恒定律。

?hvBOBAvA要完成上述驗證需要準備哪些實驗器材呢？三、實驗器材打點計時器、紙帶、復(fù)寫紙、重物、刻度尺、鐵架臺（帶鐵夾）、學(xué)生電源等。夾子打點計時器紙帶重物？鐵架臺具體該如何操作呢？四、實驗步驟把打點計時器安裝在鐵架臺上，并接好學(xué)生電源。把紙帶的一端用夾子固定在重錘上，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手豎直提起紙帶，使重錘停靠在打點計時器附近。接通電源，待計時器打點穩(wěn)定后再松開紙帶，讓重錘自由下落，打點計時器應(yīng)該在紙帶上打出一系列的點。重復(fù)上一步的過程，打三到五條紙帶。選擇一條點跡清晰且第l、2點間距離接近2mm的紙帶，在起始點標上0，以后各點依次為1、2、3……用刻度尺測量對應(yīng)下落的高h1、h2、h3、……記入表格中。各計數(shù)點l23456下落高度速度勢能動能結(jié)論四、實驗步驟用公式vn=（hn+1+hn-1）/2t，計算出各點的瞬時速度v1、v2、v3……并記錄在表中。計算各點的重力勢能的減少量mgh和動能的增加量1/2mvn2，并進行比較．看是否相等，將數(shù)值填入表格內(nèi)。各計數(shù)點l23456下落高度速度勢能動能結(jié)論四、實驗步驟五、問題與探究問題1：本實驗要不要測量物體的質(zhì)量？mgh

=mv

212gh

=v

212方程兩邊都有質(zhì)量m，可約去，可不測量物體的質(zhì)量。如果實驗要求計算勢能和動能的具體數(shù)據(jù)，那就必須要知道物體的質(zhì)量。五、問題與探究h

=

gt2=

×9.8×0.022m<2

mm1212h問題2：如何判定紙帶上的第一個點就是紙帶剛開始下落時打下的呢？用驗證，這是以紙帶上第一點（起始點）為基準驗證機械能守恒定律的方法。紙帶上的第一個點為計時起點0，該點的速度應(yīng)該為零。問題3：可以回避起始點嗎（即處理紙帶時可以不用起始點嗎）?ΔhAB用驗證，我們可以選取A、B兩點，比較它們的機械能EA和EB。若以點B為0勢能點，則有：EKA＋mgΔh＝EKB五、問題與探究五、問題與探究做勻變速運動的紙帶上某點的瞬時速度，等于相鄰兩點間的平均速度。問題4：如何測物體的瞬時速度?v0tvAt2tvBvC五、問題與探究問題5：能否用v=gt或

求瞬時速度？1.利用v=gt求瞬時速度，因重物下落過程中受阻力影響，重物實際加速度比g小，如果用v=gt來求瞬時速度，會導(dǎo)致計算出的速度比實際值大，從而導(dǎo)致△Ek大于△EP，與事實不符；2.利用

求瞬時速度，相當于默認機械能守恒來驗證機械能守恒；六、實驗數(shù)據(jù)處理0hv

212gh

=v

212該圖象的斜率表示什么？為什么圖象過原點？結(jié)論：若在誤差允許的范圍內(nèi)，圖象是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒定律。圖像法七、誤差分析思考：為什么重物的重力勢能減少量略大于動能的增加量？

如何減小它們之間的誤差？1.重物下落過程中克服阻力做功。系統(tǒng)誤差阻力來源：（1）重物下落過程中受空氣阻力；（2）紙帶與打點計時器之間存在摩擦阻力。2.減小誤差的措施：（1）減小重物下落時受到的空氣阻力（選擇體積小、密度大的重物）；（2）用電火花計時器代替電磁打點計時器；（3）安裝打點計時器時保證兩個限位孔豎直；（4）釋放紙帶時，保證紙帶豎直。七、誤差分析思考：實驗中是否存在其他誤差？若存在如何減小誤差？測量紙帶長度時存在誤差減小誤差的措施：（1）多次測量取平均值；（2）依次測量后面的點與第一點之間的距離。偶然誤差hh2h1OABC七、誤差分析八、注意事項1.實驗中安裝打點計時器時，限位孔必須在同一豎直直線上，以減少摩擦阻力，計時器離地面的高度約1m，實驗用的紙帶60-80cm。2.實驗時，必須先接通電源，讓打點計時器工作正常以后，才能松開紙帶，讓重物落下。3.紙帶上端要用手提著靜止，這樣保證下落時的速度v為0。并且紙帶上打出的第一個點是清晰的一個小點。4.測量下落高度時，都必須從起點算起，為了減小測量h值的誤差，選取的各計數(shù)點要離起始點遠些。5.實驗中重物和紙帶下落過程中要克服阻力（注意是打點計時器的阻力）做功，所以動能的增加量?Ek一定小于重力勢能的減少量?Ep。6.鐵架臺上固定打點計時器的夾子不可伸出太長，

以防鐵架臺翻到。八、注意事項第二部分：光滑斜面法為了使系統(tǒng)誤差更小，采用氣墊導(dǎo)軌來減小摩擦。使用光電門測量瞬時速度。氣墊導(dǎo)軌光電門數(shù)字計時器三、實驗步驟實驗操作中，把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài)，滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時，重力勢能減小，動能增大。測量滑塊和擋光片的質(zhì)量，用光電門測量滑塊的瞬時速度。測量滑塊下降的高度Δh和初、末速度v1、v2。四、實驗視頻第三部分：系統(tǒng)守恒法砝碼通過繞過定滑輪的細線牽連靜止放在氣墊導(dǎo)軌上的滑塊，從靜止釋放。設(shè)砝碼和托盤總質(zhì)量為m，滑塊和擋光條總質(zhì)量為M。

1.將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，桌面高度不低于1m，將導(dǎo)軌調(diào)至水平；2.測出擋光條的寬度l；3.由導(dǎo)軌標尺讀出兩光電門中心間的距離s；4.將滑塊移至光電門1左側(cè)某處，待砝碼靜止時，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過光電門2；5.從數(shù)字計時器(圖中未畫出)上分別讀出擋光條通過光電門1和光電

門2所用的時間Δt1和Δt2；6.用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，

再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量m。三、數(shù)據(jù)處理1.滑塊通過光電門1和光電門2時，瞬時速度分別為v1＝____和v2＝____.2.當滑塊通過光電門1和光電門2時，系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動能分別為Ek1＝_____________和Ek2＝_____________。3.在滑塊從光電門1運動到光電門2的過程中，系統(tǒng)重力勢能的減少量

(重力加速度為g)。ΔEp＝mgs4.如果ΔEp＝___________________________，則可認為驗證了機械能守恒定律。第四部分：創(chuàng)新設(shè)計如圖，懸掛在O點的小球擺到最低點時恰好與桌面接觸但沒有彈力，D處(箭頭所指處)放一鋒利的刀片，細線到達豎直位置時能被割斷，小球做平拋運動落到地面，P是一刻度尺。該方案只需利用刻度尺測量A位置到桌面的高度H、桌面到地面的高度h及小球平拋運動的水平位移x即可驗證機械能守恒。二、驗證過程實驗時可多次改變H值并測量與之對應(yīng)的x值，利用作圖像的方法驗證。為了直觀地表述H和x的關(guān)系，可用橫軸表示H，縱軸表示x2，建立坐標系。第五部分：總結(jié)提升課堂小結(jié)目的：驗證機械能守恒方案：原理：驗證機械能守恒定律方案一：自由落體方案二：光滑斜面方案三：系統(tǒng)守恒方案四：創(chuàng)新設(shè)計課堂練習(xí)【練習(xí)1】利用如圖所示的裝置做“驗證機械能守恒定律”實驗。下列說法中正確的是（）A．實驗中必須用天平測出重物的質(zhì)量B．必須用秒表測出重物下落的時間C．應(yīng)先釋放紙帶，后打開打點計時器的電源D．釋放紙帶前，手捏住紙帶上端并使紙帶處于豎直方向

【參考答案】D【練習(xí)2】如圖是“驗證機械能守恒定律”的裝置，氣墊導(dǎo)軌上安裝了1、2兩個光電門，滑塊上固定一豎直遮光條，滑塊用細線繞過定滑輪與鉤碼相連，細線與導(dǎo)軌平行。在調(diào)整氣墊導(dǎo)軌水平時，滑塊不掛鉤碼和細線，接通氣源后，給滑塊一個初速度，使它從軌道右端向左運動，發(fā)現(xiàn)滑塊通過光電門2的時間大于通過光電門1的時間。為使氣墊導(dǎo)軌水平，可采取的措施是（

）A．調(diào)節(jié)P使軌道左端升高一些B．調(diào)節(jié)P使軌道左端降低一些C．遮光條的寬度應(yīng)適當大一些D．滑塊的質(zhì)量增大一些

【參考答案】A課堂練習(xí)【練習(xí)3】某同學(xué)用圖示的實驗裝置“驗證機械能守恒定律”，圖(b)是用6V、50Hz的打點計時器打出的一條紙帶，O點為重錘下落的起點，選取的計數(shù)點A、B、C、D到O點的距離在圖中已標出，重力加速度g取9.8m/s2，重錘的質(zhì)量為1kg.(計算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)(1)打點計時器打下B點時，重錘下落的速度vB＝____m/s，重錘的動能EkB＝________J.課堂練習(xí)【解析】每兩個計數(shù)點之間有一個計時點，則相鄰兩個計數(shù)點之間的時間間隔為t＝0.04s，課堂練習(xí)(2)從起點O到打下B點過程中，重錘的重力勢能的減小量為_____J.【解析】重錘的重力勢能減小量：ΔEp＝mgh＝1×9.8×0.0740J≈0.73J課堂練習(xí)(3)根據(jù)(1)、(2)計算，在誤差允許范圍內(nèi)，從起點O到打下B點過程中，你得到的結(jié)論是_________________________.重錘下落過程中機械能守恒【解析】在誤差允許范圍內(nèi)，由于重錘重力勢能減小量等于重錘動能的增加量，重錘下落的過程中機械能守恒;課堂練習(xí)(4)如圖是根據(jù)某次實驗數(shù)據(jù)繪出的

－h(huán)圖像，圖線不過坐標原點的原因是

。

開始打點時重錘有一定的速度課堂練習(xí)【練習(xí)4】某實驗小組為驗證系統(tǒng)機械能守恒，設(shè)計了如圖所示的裝置，實驗過程如下：（1）用螺旋測微器測量砝碼上端固定的遮光片厚度時，螺旋測微器示數(shù)如圖乙所示，則d＝____________mm，測得砝碼和遮光片總質(zhì)量

；【參考答案】2.040

課堂練習(xí)【練習(xí)4】（2）按圖甲安裝實驗器材并調(diào)試，確保砝碼豎直上下振動時，遮光片運動最高點高于光電門1的激光孔，運動最低點低于光電門2的激光孔；（3）實驗時，利用計算機記錄彈簧拉伸量x及力傳感器的讀數(shù)F，畫出F-x圖像，如圖丙所示；【參考答案】C課堂練習(xí)課堂練習(xí)【練習(xí)5】（2023·山東·模擬預(yù)測）在“用DIS研究機械能守恒定律”的實驗中，光電門用來測量擺錘經(jīng)過不同位置的瞬時速度，實驗裝置如圖（a）。課堂練習(xí)【練習(xí)5】（2023·山東·模擬預(yù)測）在“用DIS研究機械能守恒定律”的實驗中，光電門用來測量擺錘經(jīng)過不同位置的瞬時速度，實驗裝置如圖（a）。①（單選）關(guān)于在這個實驗中光電門的使用，下列說法正確的是______；A．調(diào)節(jié)擺線長，使擺錘擺動時擺線能通過光電孔B．測量中，光電門始終固定在某個確定的位置C．擺錘釋放器的位置要隨光電門的位置變化而作相應(yīng)的調(diào)整D．每次改變光電門的位置，要用測平器使光電門的光電孔與所測點位于同一水平線【參考答案】C課堂練習(xí)①（單選）關(guān)于在這個實