32　第五章　实验探究课七　验证机械能守恒定律.docxVIP

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实验探究课七验证机械能守恒定律

[学习目标]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．会在创新实验中探究机械能守恒定律。

装置原理图

实验步骤

注意事项

物体重力势能的减少量与对应过程动能的增加量相等

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)。

3．选纸带：从打出的几条纸带中选出一条点迹清晰的纸带。

1．安装：打点计时器竖直安装，纸带沿竖直方向拉直。

2．重物：选密度大、质量大的金属块，且在靠近打点计时器处释放。

3．选纸带：点迹清晰。

4．速度：vn＝hn+1

数据处理

方案一：利用起始点和第n点计算

代入mghn和12mvn2，如果在实验误差允许的范围内，

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12

(3)在实验误差允许的范围内，若mghAB＝12

方案三：图像法

从纸带上选取多个点，测量从第一个点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以12v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据作出12v2-h图像。若在误差允许的范围内图像是一条过原点且斜率为

误差分析

1．系统误差：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ΔEkΔEp。改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。

2．偶然误差：本实验在长度测量时产生的误差。减小误差的办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。

教材原型实验

[典例1](2021·浙江6月选考节选)在“验证机械能守恒定律”实验中，小王用如图1所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图2所示。O点是打下的第一个点，A、B、C和D为另外4个连续打下的点。

(1)为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是_____________________________________________________________________

_____________________________________________________________________。

(2)已知交流电频率为50Hz，重物质量为200g，当地重力加速度g＝9.8m/s2，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值|ΔEp|＝________J、C点的动能EkC＝________J(计算结果均保留三位有效数字)。比较EkC与|ΔEp|的大小，出现这一结果的原因可能是________。

A．工作电压偏高

B．存在空气阻力和摩擦力

C．接通电源前释放了纸带

[解析](1)在验证机械能守恒定律实验时阻力越小越好，因为密度大的相同体积的重物，其阻力与重力之比更小，所以选用密度大的重物。

(2)由题图2可知OC之间的距离为xOC＝27.90cm，因此重力势能的减少量为|ΔEp|＝mgxOC＝0.2×9.8×0.2790J≈0.547J

匀变速直线运动中间时刻的速度等于这段时间的平均速度，因此

vC＝xBD2T＝0.330-0.233

因此C点的动能为EkC＝12mvC2＝12×0.2

工作电压偏高不会影响实验的误差，存在摩擦力会使重力势能的减少量大于动能的增加量，只有提前释放了纸带，纸带的初速度不为零，下落到同一位置的速度偏大才会导致动能的增加量大于重力势能的减少量，故选C。

[答案](1)阻力与重力之比更小(或其他合理解释)(2)0.5470.588C

[典例2]如图甲所示是用“落体法”验证机械能守恒定律的实验装置(g取9.80m/s2)。

(1)选出一条清晰的纸带如图乙所示，其中O点为打点计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通以频率为50Hz的交变电流。用分度值为1mm的刻度尺测得OA＝12.41cm，OB＝18.90cm，OC＝27.06cm，在计数点A和B、B和C之间还各有一个计时点，重锤的质量为1.00kg。根据以上数据算出：当打点计时器打到B点时，重锤的重力势能比开始下落时减少了________J，此时重锤的速度vB＝________m/s，此时重锤的动能比开始下落时增加了________J。(结果均保留3位有效数字)

(2)利用实验时打出的纸带，测量出各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h，算出各计数点对应的速度v