第12讲 机械能守恒的实验 专题突破讲义 -2022-2023学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

第12讲 机械能守恒的实验 实验：验证机械能守恒实验 知识剖析 一．验证机械能守恒定律 1.实验原理 物体自由落体的下落高度为h时速度为v，则物体重力势能减少量为，动能增加量为，如果，即，就验证了机械能守恒定律。 2.实验器材 铁架台（带铁夹）、打点计时器、重锤（带纸带夹）、纸带（数条）、复写纸、导线、毫米刻度尺、交流电源 3.实验步骤 （1）安装：如图所示，将打点计时器固定在铁架上，用电线将打点计时器与交流电源相连接。 （2）接通电源，打纸带：使重物靠近打点计时器，接通电源，待打点稳定后松开纸带，让重物自由下落，重复3-5次。 （3）选纸带：选取点迹较为清晰且所打点是一条直线的纸带，取纸带上第一个点及距离第一个点较远的点，依次标上0，1，2，3，…。 （4）数据测量：测出0到点1、点2、点3…的距离，即为对应的下落高度…。 （5）处理数据，得出实验结论。 4.数据处理 （1）计算法 利用公式得：，计算瞬时速，计算出 。 代入数据计算，如果在实验误差允许的范围内，，则可验证机械能是守恒的。 （2）图像法 计算各点速度的二次方，然后以为纵轴，以为横轴，根据实验数据画出图像，若在误差允许的范围内图像是一条过原点且斜率为接近g的直线，则验证了机械能守恒定律。 二．实验的误差分析和注意事项 思路点拨 易错点说明 1. 确定物体速度的方法 要确定物体的动能，需要测出物体下落一定高度时的速度，根据已学知识，有三条途径： ①；②；③ 其中，第①种途径是根据机械能守恒定律得到的，而我们的目的是验证机械能守恒定律，显然不能用。第②种途径认为加速度为g，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际下落加速度必将小于g，而下落高度h是直接测量的，这样得到机械能增加得结论，有阻力作用时机械能应是减小的，故这种方法也不能用 总之，本实验速度看似有很多方法求得，但正确地只有一种，即从纸带上直接求出物体实际下落的速度，而不能用理论值计算，同样的道理，重物下落的高度h也只能用刻度尺直接测量，而不能用计算得到。 2. 本实验为了验证，只需验证，故不需要天平测量重物的质量m。 经典例题 1、 如图甲所示，已知当地的重力加速度为g，将打点计时器固定在铁架台上，用重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置做“验证机械能守恒定律”实验。 （1）已准备的器材有打点计时器（带导线）、纸带、复写纸、铁架台和带夹子的重物，此外还必需要的器材是________和________ A．直流电源 B．交流电源 C．天平及砝码 D．毫米刻度尺 （2）实验中需要测量重物由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h。某同学对实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案，这些方案中合理的是________ A．用刻度尺测出物体下落高度h，由打点间隔数算出下落时间t，通过v＝gt计算 出瞬时速度v B．用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过计算出瞬时速度v C．根据做匀变速直线运动时，纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v，并通过计算得出高度h D．用刻度尺测出物体下落的高度h，根据做匀变速直线运动时，纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v （3）图乙是用重物由静止开始做自由落体运动到各点时的瞬时速度v和下落高度h而绘制出的v2－h图线。图象是一条直线，此直线斜率的物理含义是________________。 （4）若已知重物质量为m，利用由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h的实验数据，计算出从起始点到该点的过程中，重物重力势能的减少量________，动能的增加量________。实验结果往往是重力势能的减少量略大于动能的增加量，这个误差产生的原因是________。 2、 某实验小组设计了如图所示的实验装置验证机械能守恒定律，其主要步骤如下： （1）物块P、Q用跨过光滑定滑轮的轻绳相连，P底端固定了一竖直宽度为d的轻质遮光条。托住P，使系统处于静止状态（如图所示），用刻度尺测出遮光条所在位置A与固定在铁架台上的光电门B之间的高度h。 （2）现将物块P从图示位置由静止释放，记下遮光条通过光电门的时间为t，则遮光条通过光电门时的速度大小v＝________。 （3）己知当地的重力加速度为g，为了验证机械能守恒定律，还需测量的物理量是________（用相应的文字及字母表示）。 （4）利用上述测量的实验数据，验证机械能守恒定律的表达式是________。 （5）改变高度h，重复实验，描绘出v2－h图象，该图象的斜率为k。在实验误差允许范围内，若k＝________，则验证了机械能守恒定律。 3、 利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置如图2所示，水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，