《高考物理新编大一轮总复习》实验五 验证机械能守恒定律

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实验五　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(带铁夹)、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，然后接通电源，松开纸带，
让重物自由落下，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…。
五、实验数据处理
1．求瞬时速度
由公式 vn＝可以计算出重物下落 h1、h2、h3、…的高度时对应的瞬时速度 v1、v2、v3、
…。
2．守恒验证
方案一　利用起始点和第 n点计算。代入 ghn和v，如果在实验误差允许的范围内，
ghn＝v，则验证了机械能守恒定律。
方案二　任取两点计算
(1)任取两点 A、B测出 hAB，算出 ghAB。
(2)算出 v－v的值。
(3)如果在实验误差允许的范围内，ghAB＝v－v，则验证了机械能守恒定律。
方案三　图象法。从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度 h，并
1
计算各点速度的平方 v2，然后以 v2为纵轴，以 h为横轴，绘出 v2h图线，若是一条过原点
且斜率为 g的直线，则验证了机械能守恒定律。
六、误差分析
1．本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)
做功，故动能的增加量 ΔEk稍小于重力势能的减少量 ΔEp，即 ΔEk＜ΔEp，这属于系统误差。
改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。
2．本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差。减小误差的方法是测下落距
离时都从 0点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值。
七、注意事项
1．安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力。
2．选用质量和密度较大的重物，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可减小
体积，可使空气阻力减小。
3．释放纸带前要保持纸带竖直、静止不动，先接通电源，待打点计时器工作稳定后再
释放纸带。
4．实验过程中，重力势能的减少量 ΔEp＝mghn，动能的增加量 ΔEk＝mv，mghn＝mv
成立可验证机械能守恒定律，本实验可以不测量重物的质量。
考点一　教材原型实验
[例1]　(2020·嘉兴模拟)小李利用如图所示的实验装置来探究物体在下落过程中机械能
是否守恒。
下面列举了该实验的几个操作步骤：
A．用天平测出重物的质量
B．按照图示的装置安装器材
C．将打点计时器接到电源的“直流输出”上
D．释放纸带，立即接通电源开关打出一条纸带
E．测量纸带上某些点间的距离
F．根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能
2
(1)请指出小李同学在实验操作中不一定要进行的步骤是____________。(将其选项对应
的字母填在横线处)
(2)请指出图中及在上述实验操作中存在的不当或明显错误的地方：
①________________________________________________________________________
；
②________________________________________________________________________
；
③________________________________________________________________________
。
(3)与小李同班的小张同学利用光电门传感器设计了如图所示的实验装置来研究小物体
自由下落时机械能是否守恒，图中 A，B两位置分别固定了两个光电门传感器。实验时测
得A，B两光电门之间的竖直距离为 h，小物体从某高处先后通过 A，B，小物体上宽度为 d
的挡光片通过 A的挡光时间为t1，通过 B的挡光时间为t2。
①请写出小张同学能证明自由落体过程中小物体的机械能守恒时应满足的关系式____
____________________________________________________________________；
②请指出小张同学的实验设计和操作中可能会引起明显误差的地方 (请至少写出一种)：
________________________________。
[解析]　(1)因为需要比较 mgh 和mv2的大小关系，即使不测量 m，也可达到目的，因
此不需要用天平；
(2)①C项中打点计时器应使用交流电源；② D项中实验中应先接通电源，打点计时器
工作后再释放重物，让它带着纸带一同落下，如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计
时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集；③图中重物释放时应靠近打点计时
器，以得到尽可能多的有效的点。
(3)①本实验中利用小物体通过光电门的平均速度来代替瞬时速度，故有 v1＝，v2＝，
根据机械能守恒有 mgh＝mv－mv，即 2－2＝2gh；
②本实验的误差是由数据测量导致的，还有就是在该实验中用平均速度代替瞬时速度，
因此若物体上挡光片的宽度 d偏大，将导致瞬时速度的计算不准确。
[答案]　 (1)A　(2)见解析　(3)①2－2＝2gh　②物体上挡光片的宽度d偏大或 h的测量
不精确(写出一种即可)
3
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