《人教版物理必修第二册》19-20 第8章 5．实验：验证机械能守恒定律

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5．实验：验证机械能守恒定律

【学习素养·明目标】　物理观念：1.验证机械能守恒定律.2.熟悉瞬时速度

的测量方法．

科学探究：1.能正确进行实验操作，分析实验数据得出结论，能定性地分

析产生误差的原因.2.掌握实验的操作方法，培养学生的动手能力．

一、实验原理

　让物体自由下落，在忽略阻力的情况下，探究物体的机械能守恒，有两

种方案探究物体的机械能守恒：

1．以物体下落的起始点 O为基准，测出物体下落高度 h时的速度大小 v，

若mv2＝mgh

成立，则可验证物体的机械能守恒．

2．测出物体下落高度 h过程的初、末时刻的速度 v1、v2，若关系式 m v －

m v ＝mgh 成立，则物体的机械能守恒．

二、实验器材

铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、低压交流电源(4～6 V)、重物、毫米刻

度尺、纸带(带夹子)、复写纸片、导线．

三、实验步骤

1．安装置：按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好

电路．

2．打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的

限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方．先接通电源，后

松开纸带，让重物带着纸带自由下落．更换纸带重复做 3～5次实验．

3．选纸带：选取点迹较为清晰且 1、2两点间的距离约为 2 mm 的纸带，

把纸带上打出的两点间的距离为 2 mm 的第一个点作为起始点，记作 O，在距

离O点较远处再依次选出计数点 1、2、3…

4．测距离：用刻度尺测出 O点到 1、2、3…的距离，即为对应下落的高度

h1、h2、h3…

四、数据处理

1．计算各点对应的瞬时速度：记下第 1个点的位置 O，在纸带上从离 O点

适当距离开始选取几个计数点 1、2、3、…、n，并测量出各计数点到 O点的距

离h1、h2、h3、…、hn，再根据公式 vn＝，计算出 1、2、3、4、…、n点的瞬

时速度 v1、v2、v3、v4、…、vn.

2．机械能守恒定律的验证：

方法一：利用起始点和第 n点．

从起始点到第 n个计数点，重力势能减少量为 mghn，动能增加量为 mv，

计算 ghn和v，如果在实验误差允许的范围内 ghn＝v，则机械能守恒定律得到

验证．

方法二：任取两点 A、B.

从A点到 B点，重力势能减少量为 mghA－mghB，动能增加量为 mv－

mv，计算 ghAB 和v－v，如果在实验误差允许的范围内 ghAB＝v － v ，则机械能

守恒定律得到验证．

方法三：图象法．

计算各计数点 v2，以 v2为纵轴，以各计数点到第一个点的距离 h为横轴，

根据实验数据绘出 v2h图线．若在误差许可的范围内图象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．

五、误差分析

1．在进行长度测量时，测量及读数不准确造成误差．

2．重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内能，下落高度越大，机

械能损失越多，所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现

象．

3．由于交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而产生误差．

六、注意事项

1．应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力

的影响，采取的措施有：

(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)应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

大密度可以减小体积，使空气阻力减小．

2．纸带选取

(1)以第一个点为起点时，要验证的是 mv＝mghn，必须保证纸带上的第一

个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距为 h＝gt2＝×10×(0.02)2

m＝2 mm.

(2)以下落中某点为起点时，要验证的是 mv－mv＝mghmn，这时选择纸带

不需要满足开始两点间距为 2 mm.

3．计算速度时不能用 v＝gt 或v＝，否则就犯了用机械能守恒定律去验证

机械能守恒的错误．

【例 1】　在“验证机械能守恒定律”的实验中，下面列出一些实验步骤：

A．用天平称出重物和夹子的重量

B．把重物系在夹子上

C．将纸带穿过计时器，上端用手提着，下端夹上系住重物的夹子，再把

纸带向上拉，让夹子靠近打点计时器静止

D．把打点计时器接在学生电源的交流输出端，把输出电压调至6 V(电源

不接通)

E．把打点计时器固定在桌边的铁架台上，使两个限位孔在同一竖直线上

F．在纸带上选取几个点，进行测量和记录数据

G．用秒表测出重物下落时间

H．接通电源，待计时器响声稳定后释放纸带

I．切断电源

J．更换纸带，重新进行两次

K．在三条纸带中选出较好的一条

L．进行计算，得出结论，完成报告

M．拆下导线，整理器材

以上步骤中，不必要的有，正确步骤的合理顺序是．(填写字

母)

[解析]　只为了验证机械能守恒，没必要称量重物的质量．打点计时器本

身就是计时仪器，不再需要秒表．

[答案]　AG　EDBCHIJMKFL

【例 2】　某实验小组“用落体法验证机械能守恒定律”，实验装置如图

甲所示．实验中测出重物自由下落的高度 h及对应的瞬时速度 v，计算出重物

减小的重力势能 mgh 和增加的动能 mv2，然后进行比较，如果两者相等或近似

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