《實驗：驗證機械能守恒定律》實驗目的實驗原理實驗過程實驗器材實驗反思驗證機械能守恒定律驗證機械能守恒定律。

【實驗目的】【實驗原理】

如果忽略空氣的阻力，這時物體的機械能守恒，即重力勢能的減少等于動能的增加。設物體的質量為m，下落距離為h時物體的瞬時速度為v，則勢能減少mgh，動能增加，故有mgh＝

利用打點計時器打出的紙帶，測出重物下落的高度h，利用時間t內的平均速度等于該段時間中點時刻的瞬時速度，算出對應時刻的瞬時速度v，即可驗證機械能是否守恒。hV【實驗原理】

只要繪出v2與h的關系圖像，當斜率等于兩倍當?shù)刂亓铀俣葧r，則可驗證機械能守恒，不需要測量重錘的質量m

鐵架臺（帶鐵夾）、電火花計時器或打點計時器、直尺、重錘、紙帶、復寫紙片、導線、電源。

【實驗器材】【實驗內容】【實驗反思】1.關于在“驗證機械能守恒定律”的實驗操作，下面敘述正確的是A．應用天平稱出重物的質量。B．應當選用點跡清晰，第一、二兩點距離約2mm的紙帶進行測量。C．操作時應先放紙帶，后接通電源。D．打點計時器應接在電壓為4～6V的直流電源上。E．實驗時，應先接通打點計時器，等打點穩(wěn)定后再釋放紙帶F．為了方便，應在打下的紙帶上每5個點取一個計數(shù)點進行測量和計算BE【實驗反思】2.實驗中為什么重力勢能的減少總是略大于重錘動能的增加？答：由于紙帶與打點計時器縣限位孔間存在摩擦，所以重錘重力勢能的損耗除了轉化為動能以外，還由部分因為發(fā)熱損耗了，所以重力勢能損耗總是大于動能的獲得。【實驗反思】3.計算紙帶上點的速度時，有同學認為“直接利用v=gt計算各點的瞬時速度，同樣能夠驗證機械能守恒?！痹撏瑢W的做法是否正確？如果不正確，請說出正確的處理方法。本實驗的目標是驗證機械能守恒，即：v=gt成立的前提條件是自由落體只是一個公式推導過程，與實驗無關正確方法是通過紙帶中平均速度等于中間時刻的瞬時速度計算各點的瞬時速度，從而計算動能隨堂訓練1.在利用落體法驗證機械能守恒定律的實驗中,以下說法正確的是(

)A.實驗中摩擦是不可避免的,因此紙帶越短越好,因為紙帶越短,克服摩擦力做的功就越小,誤差就越小B.實驗時應稱出重錘的質量C.紙帶上第1、2兩點間距若不接近2mm,則無論怎樣處理實驗數(shù)據,實驗誤差一定較大D.處理打完點的紙帶時,可以直接利用打點計時器打出的實際點跡,而不必采用“計數(shù)點”的方法答案

D2.用下圖所示裝置驗證機械能守恒定律,由于打點計時器兩限位孔不在同一豎直線上,使紙帶通過時受到較大的阻力,這樣實驗造成的結果是(

)A.重力勢能的減少量明顯大于動能的增加量B.重力勢能的減少量明顯小于動能的增加量C.重力勢能的減少量等于動能的增加量D.以上幾種情況都有可能答案

A解析

由于重物下落時要克服阻力做功,重物減少的重力勢能轉化為重物的動能和系統(tǒng)的內能,故重力勢能的減少量大于動能的增加量,A正確。3.某同學用如圖甲所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律,通過實驗數(shù)據分析,發(fā)現(xiàn)本實驗存在較大的誤差。為此改用如圖乙所示的實驗裝置:通過電磁鐵控制的小鐵球從A點自由下落,下落過程中經過光電門B時,通過與之相連的毫秒計時器(圖中未畫出)記錄擋光時間t,用毫米刻度尺測出AB之間的距離h,用游標卡尺測得小鐵球的直徑d(d?h),重力加速度為g。則小鐵球經過光電門時的瞬時速度v=

。如果d、t、h、g滿足關系式t2=

,就可驗證機械能守恒定律。比較兩個方案,改進后的方案相比原方案最主要的優(yōu)點是

。

4.某同學利用豎直上拋小球的頻閃照片驗證機械能守恒定律。頻閃儀每隔0.05s閃光一次,圖中所標數(shù)據為實際距離,小球質量m=0.2kg。(當?shù)刂亓铀俣萭取9.8m/s2,結果保留三位有效數(shù)字)(1)從t2到t5時間內,重力勢能增加量ΔEp=

J,動能減少量ΔEk=

J。

(2)在誤差允許的范圍內,若ΔEp與ΔEk近似相等,則驗證了機械能守恒定律。由上述計算得ΔEp

ΔEk(選填“>”“<”或“=”),造成這種結果的主要原因是

。

答案

(1)1.42

1.46

(2)<

空氣阻力的存在

解析

(1)重力勢能增加量:ΔEp=mg(h2+h3+h4)=0.2×9.8×(26.68+24.16+21.66)×10-2

J=1.42

J在勻變速直線運動中,中間時刻的瞬時速度等于該過程中的平均速度,所以有(2)由上述計算得ΔEp<ΔEk造成這種結果的主要原因是空氣阻力的存在,導致動能的減少量沒有全部轉化為重力勢能。5.利用氣墊導軌驗證機械能守恒定律,實驗裝置示意圖如圖所示。

(1)實驗步驟:①將氣墊導軌放在水平桌面上,桌面高度不低于1m,將導軌調至水平。②用游標卡尺測出擋光條的寬度l=9.30mm。③由導軌標尺讀出兩光電門中心間的距離s=

cm。

④將滑塊移至光電門1左側某處,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量m1,再稱出托盤和砝碼的總質量m2。(2)用直接測量出的物理量的字母寫出下列物理量的表達式。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=

,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ΔEp=

(重力加速度為g)。

(3)如果ΔEp=

,則可認為驗證了機械能守恒定律。

答案

(1)③60.00(59.96~60.04均正確)解析

(1)③距離s=80.30

cm-20.30

cm=60.00

cm。(2)①由于擋光條寬度很小,因此可以將擋光條通過光電門時的平均速度當成瞬時速度,擋光條的寬度l可用游標卡尺測量,擋光時間Δt可從數(shù)字計時器上讀出。因此,滑塊通過光電門1和光電門2時的瞬時速度分別為②當滑塊通過光電門1和光電門2時,系統(tǒng)的總動能分別為

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ΔEp=m2gs。(3)如果在誤差允許的范圍內ΔEp=Ek2-Ek1,則可認為驗證了機械能守恒定律。6.用如圖甲所示實驗裝置驗證m1、m2組成的系統(tǒng)機械能守恒。m2從高處由靜止開始下落,打點計時器在m1上拖著的紙帶打出一系列的點,已知打點計時器所用的電源是50Hz的交流電,對紙帶上的點跡進行測量,即可驗證機械能守恒定律。圖乙給出的是實驗中獲得的一條紙帶,0是打下的第一個點,每相鄰兩計數(shù)點間還有4個點(圖中未標出),計數(shù)點間的距離如圖所示。已知m1=50g,m2=150g,則:(結果保留兩位有效數(shù)字)(1)從紙帶上打下計數(shù)點5時的速度v=

m/s。

(2)從打下第“0”點到打下第“5”點的過程中系統(tǒng)動能的增加量ΔEk=

J,系統(tǒng)勢能的減少量ΔEp=

J。(重力加速度g取10m/s2)

答案

(1)2.4

(2)0.58

0.607.(2021山東德州模擬)某同學設計了如圖所示的裝置來“驗證機械能守恒定律”。將量角器豎直固定在鐵架臺上,使直徑邊水平,將小球通過一段不可伸長的細線固定到量角器的圓心O處,在鐵架臺上O點正下方安裝光電門(圖中未畫出),實驗時,讓小球在緊貼量角器的豎直平面內運動,調整好光電門,使小球的球心剛好能通過光電門的細光束。(1)以下列舉的物理量中,本實驗必須測量的物理量有

(填選項前的字母)。

A.小球的質量mB.小球的直徑dC.細線的長度LD.小球的運動周期T(2)圖中細線偏離豎直方向的初始偏角為

。

(3)實驗時,將小球拉開,使細線與豎直方