8.5实验：验证机械能守恒定律 课件—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第二册

8.5 实验 验证机械能守恒定律 机械能守恒定律告诉我们，在只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能相互转化时总的机械能保持不变。下面我们通过实验来研究物体运动过程中动能与重力势能的变化，从而验证机械能守恒定律。 实验思路：机械能守恒的前提是“只有重力或弹力做功”，因此研究过程一定要满足这一条件。想一想，满足这一条件的过程有哪些？自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力与物体位移方向垂直（图 8.5-1），对物体不做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。用细线悬挂的小球摆动时，细线的拉力与小球的运动方向垂直，对物体不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有重力做功，也满足机械能守恒的条件。…… 以上几种情况都可以用来验证机械能守恒定律。 研究自由下落物体的机械能 一、实验原理 让物体自由下落，忽略阻力情况下物体的机械能守恒，有两种方案验证物体的机械能守恒： 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mv12＝mgh成立，则物体的机械能守恒。mv22－ 二、实验器材 铁架台带铁夹、电磁打点计时器、重锤带纸带夹子、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、交流电源。 注意：重锤应选体积__较小__、质量__较大__者，以减少空气阻力的影响。又因无需测其质量，所以本实验不用__天平__。 三、实验步骤 1．安装置：按如图所示将检查、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次～5次实验。 3．选纸带：选取点迹较为清晰且前两点间的距离约为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…并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3…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 (1)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vn2，则机械能守恒定律得到验证。vn2，如果在实验误差允许的范围内ghn＝mvn2，计算ghn和 (2)方法二：任取两点B、F。 从B点到F点，重力势能减少量为mghB－mghF，动能增加量为vB2，则机械能守恒定律得到验证。 vF 2－vB2，如果在实验误差允许的范围内ghBF＝vF2－mvB2，计算ghBF和mvF2－ (3)方法三：图像法。 计算各计数点v2­h图线，如图所示。若在误差许可的范围内图像是 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v2，以 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．测量长度时会存在偶然误差，所以测长度时要多测几次，取平均值即可减小此误差。 2．系统误差的主要来源是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。（由于本实验中有纸带与限位孔间的摩擦力(主要因素)和空气阻力(次要因素)的影响，这是系统误差，它使增加的动能小于减小的重力势能，要减小影响，采用增加重锤质量的办法，因为当重锤的重力远大于阻力时，可忽略阻力的影响。） 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系统误差。 4．为了减小相对误差，选取的计数点最好离第一个点远一些。 5．若第一、第二两点间的距离小于2 mm，则这两点间的时间间隔不到0.02 s或阻力过大。 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．实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直。接通电源后，等打点计时器工作稳定再松开纸带。 3．纸带的选取 (1)以第一个点为起点时，要验证的是×10×(0.02)2m＝2 mm。gt2＝mvn2＝m