8.5实验：验证机械能守恒定律—2021-2022学年高中物理同步训练讲义（人教版2019必修第二册）（原卷版）

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第八章 机械能守恒定律
8.5 实验：验证机械能守恒定律
【知识梳理】
一、实验思路
机械能守恒的前提是“只有重力或弹力做功”，因此研究过程一定要满足这一条件.本节实
验我们以只有重力做功的过程进行研究.
二、物理量的测量及数据分析
只有重力做功时，只发生重力势能和动能的转化.
(1)要验证的表达式：mv22＋mgh2＝mv12
＋ mgh 1
或：mv22－mv12＝mgh1－ mgh 2.
(2)所需测量的物理量：物体所处两位置之间的高度差，及物体的运动速度.
三、参考案例
案例 1　研究自由下落物体的机械能
1.实验器材
铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸(或墨粉盘)、导线、毫米刻度
尺、交流电源.
2.实验步骤
(1)安装装置：按图甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接
好.
(2)打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖
直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近.先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下
落.重复几次，得到 3～5条打好点的纸带.
(3)选纸带并测量：选择一条点迹清晰的纸带，确定要研究的开始和结束的位置，测量两位
置之间的距离 Δh及两位置时的速度，代入表达式进行验证.
3.数据处理
(1)计算各点对应的瞬时速度：如图乙所示，根据公式 vn＝，计算出某一点的瞬时速度 vn.
(2)机械能守恒定律的验证
方法一：利用起始点和第 n点.
选择开始的两点间距接近 2 mm 的一条纸带，打的第一个点为起始点，如果在实验误差允
许范围内 mghn＝mvn2，则机械能守恒定律得到验证.
方法二：任取两点 A、B.
如果在实验误差允许范围内 mghAB＝mvB2－mvA2，则机械守恒定律得到验证.
方法三：图像法(如图所示).
若在实验误差允许范围内图线是一条过原点且斜率为 g的直线，则验证了机械能守恒定律.
4.误差分析
本实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点
计时器的摩擦阻力引起的系统误差.
5.实验注意事项
(1)打点计时器安装时，要使两限位孔的中线在同一竖直线上，以减小摩擦阻力.
(2)应选用质量和密度较大的重物.增大密度可以减小体积，可使空气阻力的影响相对减小.
(3)实验时，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)本实验中的几种验证方法均不需要(填“需要”或“不需要”)测重物的质量 m.
(5)速度不能用 v＝gt 或v＝计算，应根据纸带上测得的数据，利用 vn＝计算瞬时速度.
案例 2　研究沿斜面下滑物体的机械能
1.实验器材
气垫导轨、数字计时器、带有遮光条的滑块.
2.实验装置
如图所示，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，忽略空气阻力，重
力势能减小，动能增大.
3.实验测量及数据处理
(1)测量两光电门之间的高度差 Δh；
(2)滑块经过两光电门时遮光条遮光时间 Δt1和Δt2，计算滑块经过两光电门时的瞬时速度.
若遮光条的宽度为 ΔL，则滑块经过两光电门时的速度分别为v1＝，v2＝；
(3)若在实验误差允许范围内满足 mgΔh＝mv22－mv12，则验证了机械能守恒定律.
4.误差分析
两光电门之间的距离稍大一些，可以减小误差；遮光条的宽度越小，误差越小.
【能力提升】
一、研究自由下落物体的机械能
某同学用如图甲所示装置“验证机械能守恒定律”时，所用交流电源的频率为 50
Hz，得到如图乙所示的纸带.选取纸带上打出的连续五个点 A、B、C、D、E，测出 A点距
起点 O的距离为 s0＝19.00 cm，点 A、C间的距离为 s1＝8.36 cm，点 C、E间的距离为 s2＝
9.88 cm，g取9.8 m/s2，测得重物的质量为 m＝1 kg.
(1)下列做法正确的有________.
A.必须要称出重物和夹子的质量
B.图中两限位孔必须在同一竖直线上
C.将连着重物的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器
D.实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源
E.数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置
(2)选取 O、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是________J，
打下 C点时重物的速度大小是________m/s.(结果均保留三位有效数字)
(3)根据纸带算出打下各点时重物的速度 v，量出下落距离 s，则以为纵坐标、s为横坐标画
出的图像应是下列选项中的________.
二、研究沿斜面下滑物体的机械能
现利用如图所示装置“验证机械能守恒定律”.图中 AB 是固定的光滑斜面，斜面的
倾角为30°，1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的光电计时器都没
有画出.让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分
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