第六章　第7课时　实验七：验证机械能守恒定律.docxVIP

第7课时实验七：验证机械能守恒定律

目标要求1.熟悉验证机械能守恒定律的实验原理、实验步骤及数据处理。2.学会在创新实验中探究机械能守恒定律。

考点一实验技能储备

1.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对应过程动能的增加量，在实验误差允许范围内，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。

2．实验器材：打点计时器、交流电源、纸带、复写纸(墨粉)、夹子、重物、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线。

3．实验过程

(1)安装器材：将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与电源相连。

(2)打纸带：用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打出一系列的点，取下纸带，换上新的纸带重打几条(3～5条)纸带。

(3)选纸带：点迹清晰，且所选用的点在同一条直线上。

4．数据处理

(1)求瞬时速度

由公式vn＝eq\f(hn＋1－hn－1,2T)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)验证守恒

方案一：利用起始点和第n点计算：

代入mghn和eq\f(1,2)mvn2，如果在实验误差允许的范围内，mghn和eq\f(1,2)mvn2相等，则验证了机械能守恒定律。

注意：应选取最初第1、2两点距离接近2_mm的纸带(电源频率为50Hz)。

方案二：任取两点计算

①任取两点A、B，测出hAB，算出mghAB。

②算出eq\f(1,2)mvB2－eq\f(1,2)mvA2的值。

③在实验误差允许的范围内，若mghAB＝eq\f(1,2)mvB2－eq\f(1,2)mvA2，则验证了机械能守恒定律。

方案三：图像法

测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算对应速度v，然后以eq\f(1,2)v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据作出eq\f(1,2)v2－h图像。若在实验误差允许的范围内图像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。

5．注意事项

(1)打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直线上，以减少摩擦阻力。

(2)重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。

(3)应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落。

(4)测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝eq\f(hn＋1－hn－1,2T)，不能用vn＝eq\r(2ghn)或vn＝gt来计算。

(5)此实验中不需要测量重物的质量。

例1(2023·北京市东城区一模)用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。重锤从高处由静止开始下落，重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。已知当地重力加速度为g。

(1)除图中所示的装置之外，还必须使用的器材是________；

A．直流电源、天平(含砝码)

B．直流电源、刻度尺

C．交流电源、天平(含砝码)

D．交流电源、刻度尺

(2)下面列举了该实验的几个操作步骤：

A．按照图示安装好实验器材并连接好电源

B．先打开夹子释放纸带，再接通电源开关打出一条纸带

C．测量纸带上某些点间的距离

D．根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于其增加的动能

其中没有必要进行的或者操作不当的步骤是________(选填步骤前的字母)；

(3)如图所示，根据打出的纸带，选取纸带上的连续的五个点A、B、C、D、E，通过测量并计算出点A距起始点O的距离为s0，点AC间的距离为s1，点CE间的距离为s2，若相邻两点的打点时间间隔为T，重锤质量为m，根据这些条件计算重锤从静止释放到下落OC距离时的重力势能减少量ΔEp＝________，动能增加量ΔEk＝________；在实际计算中发现，重锤减小的重力势能总是大于重锤增加的动能，其原因主要是____________________________。

答案(1)D(2)B(3)mg(s0＋s1)

eq\f(m?s1＋s2?2,32T2)重锤下落过程中受到阻力作用

解析(1)打点计时器需要用交流电源，测量速度及重力势能的变化量需要测量纸带上某些点间的距离，则需要刻度尺，故选D。

(2)按照题图所示安装好实验器材并连接好电源，故A正确，不符合题意；

为充分利用纸带，应先接通电源开关，再打开夹子释放纸带，故B错误，符合题意；

测量纸带上某些点间的距离，用来表示重力势能的变化，故C正确，不符合题意；

根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于其增加的动能，验证机械能是否守恒，故D正确，不符合题意。

(3)重力势能减少量为ΔEp＝mg(s0＋s1)

C点速度为vC＝eq\f(s1＋s2,4T)

动能增加量为ΔEk