第四章 实验5 验证机械能守恒定律-2023高考物理一轮复习【导与练】高中总复习第1轮教师用书word （新教材，鲁科版，福建专用）

实验5　验证机械能守恒定律 一、实验目的 1.掌握验证机械能守恒定律的方法。 2.会用计算法或图像法处理实验数据。 3.进一步熟悉打点计时器的使用。 二、实验原理 1.在只有重力做功的自由落体运动中,物体的重力势能和动能互相转化,但总的机械能保持不变。若物体某时刻瞬时速度为v,下落高度为h,则其重力势能的减少量为mgh,动能的增加量为mv2,看它们在实验误差允许的范围内是否相等,若相等则验证了机械能守恒定律。 2.速度的测量:做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间的平均速度vt=。计算打第n个点瞬时速度的方法是,测出第n个点的相邻前后两段相等时间T内下落的距离sn和sn+1,由公式vn=或vn=算出,如图所示。 三、实验器材 铁架台(含铁夹)、打点计时器、学生电源、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、重物(带纸带夹)。 四、实验步骤 1.仪器安装 将检查、调整好的打点计时器按如图所示装置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3～5次实验。 3.选纸带 分两种情况说明: (1)如果根据 mv2=mgh验证时,应选点迹清晰,打点成一条直线,且1、2两点间距离小于或接近2 mm 的纸带。若1、2两点间的距离大于2 mm,这是由于先释放纸带,后接通电源造成的。这样,第1个点就不是运动的起始点了,这样的纸带不能选。 (2)如果根据 m-m=mgΔh验证时,由于重物重力势能的变化是绝对的,处理纸带上的数据时,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为2 mm就无关紧要了,所以只要后面的点迹清晰就可选用。 五、数据处理 1.求瞬时速度 由公式vn=可以计算出重物下落h1、h2、h3、…的高度时对应的瞬时速度v1、v2、v3、…。 2.验证守恒 方法一:利用起始点和第n点计算。将实验数据代入ghn和,如果在实验误差允许的范围内,ghn=,则验证了机械能守恒定律。 方法二:任取间隔较远的两点A、B测出hAB,算出ghAB和-的值,如果在实验误差允许的范围内,ghAB=-,则验证了机械能守恒定律。 方法三:图像法。从纸带上选取多个点(包含起始点),测量从第一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v2为纵轴,以h为横轴,根据实验数据绘出 v2-h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。 六、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,故重物动能的增加量ΔEk稍小于其重力势能的减少量ΔEp,即ΔEk<ΔEp,这属于系统误差,改进的方法是调整器材的安装,尽可能地减小阻力。 2.偶然误差 本实验的另一个误差来源于长度的测量,属于偶然误差。减小误差的方法是测下落距离时都从O点测量,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。 七、注意事项 1.应尽可能控制实验条件,即应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,增大其重力可使阻力的影响相对减小,增大其密度可以减小体积,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,先接通电源,打点计时器工作稳定后再松开纸带。 3.验证机械能守恒定律时,可以不测出重物质量,只要比较 和ghn大小是否相等即可验证机械能是否守恒。 4.测量下落高度时,为了减小测量值h的相对误差,选取的各个计数点要离起始点远一些,纸带也不宜过长,有效长度可在60～80 cm之间。 5.速度不能用vn=gtn或vn= 计算,否则犯了用机械能守恒定律验证机械能守恒定律的错误。 考点一　基础性实验 　　　　　　 　　　　　 　　　　　 [例1] (2021·安徽一模)如图甲所示是用“落体法”验证机械能守恒定律的实验装置。 (1)选出一条纸带如图乙所示,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50 Hz的交流电源。用分度值为 1 mm 的刻度尺测得OA=12.41 cm,OB=18.90 cm,OC= 27.06 cm,在计数点A和B、B和C之间还各有一个点,重锤的质量为1.00 kg,g取9.80 m/s2。甲同学根据以上数据算出:当打点计时器打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,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)乙同学利