高中物理人教版 (新课标)必修29.实验：验证机械能守恒定律教案

9．实验：验证机械能守恒定律

一、实验目的

1．会用打点计时器打下的纸带计算物体的运动速度和位移．

2．探究自由落体运动物体的机械能守恒．

二、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mv－mv＝mgh成立，则物体的机械能守恒．

三、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.

一、实验步骤

1．安装置：按图7­9­1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．

图7­9­1

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有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…

二、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．

图7­9­2

三、误差分析

1．在进行长度测量时，测量及读数不准造成误差．

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．

四、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)2m＝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．

实验探究1　实验原理和操作步骤

　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

实验探究2　数据处理与误差分析

　某同学做验证机械能守恒定律实验时，不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏，损坏的是前端部分．剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图7­9­3中，单位是cm.打点计时器工作频率为50 Hz，重力加速度g取9.8 m/s2.

图7­9­3

(1)重物在2点的速度v2＝________，在5点的速度v5＝________，此过程中动能增加量ΔEk＝________，重力势能减少量ΔEp＝________.由以上可得出实验结论_____________________________________________________________

_______________________________________________________________.

(2)重物获得的动能往往________(A.大于　B．小于　C．等于)减少的重力势能，实验中产生系统误差的原因是____________________________________．

(3)根据实验判断下列图象正确的是(其中ΔEk表示重物动能的变化量，Δh表示物体下落的高度)(　　)

【解析】　(1)根据匀变速直线运动的规律，可以求出重物在2点的速度v2＝m/s＝1.50 m/s，重物在5点的速度v5＝m/s＝2.075 m/s，所以动能增加量为ΔEk＝mv－mv＝1.03m J，重物从2点到5点，重力势能减少量为ΔEp＝mgh25＝m×9.8×(3.2＋3.6＋4.0)×10－2 J＝1.06m J，由以上可得出实验结论为：在误差允许的范围内，机械能守恒．

(2)由于纸带受到摩擦力作用，需克服摩擦力做功，所以获得的动能小于减少的重力势能．

(3)重物机械能守恒，重物减少的重力势能转化为增加的动能，即ΔEk＝mgΔh，可见重物增加的动能与下落的距离成正比，选项C正确．

【答案】　(1)1.50 m/s　2.075 m/s　1.03m J　1.06m J　在误差允许的范围内，机械能守恒

(2)B　纸带受到摩擦力作用　(3)C