第8章 5 实验：验证机械能守恒定律-2021-2022学年新教材高中物理必修第二册【名师导航】同步Word教参(人教版)

5.实验：验证机械能守恒定律 实验目标：1.理解验证机械能守恒定律的原理。会设计实验方案，确定需要测量的物理量，采用正确的方法测量相关的物理量。2.能够控制实验条件，正确进行实验操作，获取物体下落的高度和速度大小等数据，会分析动能增加量小于重力势能减少量的原因，并采取相应措施，减小实验误差。3.树立实事求是的科学态度、培养认真严谨的科学精神。 一、实验思路 1．实验目的 (1)验证机械能守恒定律。 (2)进一步熟悉打点计时器(或光电门)的使用。 2．实验思路 机械能守恒的前提是“只有重力或弹力做功”，因此设计实验时要考虑满足这一条件的情形。 情形1：自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。 情形2：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，对物体不做功，也满足机械能守恒的条件。 二、物理量的测量 根据重力势能和动能的定义，需要测量的物理量有物体的质量、物体所处位置的高度以及物体的运动速度。 1．质量的测量：可用天平测量。 2．高度的测量：可用刻度尺测量。 3．瞬时速度的测量 (1)用打点计时器打下的纸带测量： 测出打n点前、后相邻两段相等时间T内物体运动的距离xn和xn＋1(或测出hn－1和hn＋1)，由公式vn＝或vn＝即可得到打n点时物体的瞬时速度，如图所示。 说明：由匀变速直线运动的规律可知，物体某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度。 (2)用光电门测量： 遮光条通过光电门时的瞬时速度等于遮光条通过光电门时的平均速度，则根据遮光条的宽度l和遮光时间Δt，可以算出物体经过光电门时的速度v＝。 三、数据分析 方法1：计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足 mv＋mgh2＝mv＋mgh1 ① 方法2：计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足 mv－mv＝mgh1－mgh2 ② 若在误差允许范围内，等式①(或②)满足，即可验证机械能守恒。 根据上述情况，有两种方案可以验证物体的机械能守恒。 方案Ⅰ　研究自由下落物体的机械能 1．实验器材 铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(4～6 V)。 2．实验步骤 (1)安装实验装置 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，用导线将打点计时器与低压交流电源相连接。 (2)进行实验 ①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，打点结束后立即关闭打点计时器电源。 ②更换纸带重复做3～5次实验。 (3)选取纸带(分两种情况) ①如果根据mgh＝mv2验证，应选点迹清晰，所打点在同一条直线上，且第1、2两点间距离略小于2 mm的纸带。(根据h＝gt2，当t＝0.02 s时h＝1.96 mm，说明重物是在打第一个点时开始下落的。) ②如果根据mgΔh＝mv－mv验证，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否略小于2 mm就无关紧要了，只要后面的点迹清晰就可选用。 3．数据处理 方法1：利用起始点和第n点计算 代入mghn和mv，如果在实验误差允许的范围内mghn和mv相等，即可验证机械能守恒定律。 方法2：任取两点计算 (1)任取两点A、B，测出hAB，计算出mghAB。 (2)计算出mv－mv的值。 (3)在实验误差允许的范围内，若mghAB＝mv－mv成立，即可验证机械能守恒定律。 方法3：图像法 从纸带上选取多个点，测量从第一个点到选取各点的下落高度h，并计算出各点速度的二次方v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2­h图线。若在误差允许的范围内图线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。 4．实验中的注意事项 (1)注意将打点计时器接在低压交流电源上，调节好振针的高度，使打出的点点迹清晰。 (2)应先接通电源，待打点计时器工作稳定后再释放纸带。 (3)选择点迹清晰的纸带，最好是第1点和第2点间距离略小于2 mm的纸带。 说明：实验中要根据纸带求出重物实际下落的速度，而不能利用v＝或v＝gt计算。同样的道理，重物下落的高度h也只能用刻度尺直接测量，而不能用h＝gt2或h＝计算。 5．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。 方案Ⅱ　研究沿斜面下滑物体的机械能 利用气垫导轨和数字计时器记录物体沿光滑斜面下滑的运动过程。 实验装置如图所示