第1章 第5节 第2课时 实验：验证机械能守恒定律 （Word教参）-【新课程学案】新教材2022-2023学年高中物理必修第二册（鲁科版2019）

第2课时　实验：验证机械能守恒定律 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的使用。 实验器材 铁架台、打点计时器、交流电源、纸带、重物、天平、砝码、刻度尺。 实验原理与设计 实验装置如图所示。让带有纸带的重物自由下落，利用打点计时器记录重物下落过程中的运动情况。选取纸带上的某点作为高度测量的起点，量出纸带上其他点相对该点的距离作为高度。用天平称出重物的质量，算出重物经过这些点的重力势能。再计算重物经过这些点的瞬时速度，算出动能。最后，通过比较重物经过这些点的机械能，得出实验结论。 实验步骤 1．使用天平称出重物质量。 2．纸带一端吊重物，另一端穿过打点计时器。手提纸带，使重物靠近打点计时器并静止。接通电源，松开纸带，让重物自由落下。 3．取下纸带并选其中一个点作为参考点，设打该点时重物的重力势能为0，计算打该点时重物的动能，它就是重物下落过程中动能与重力势能的总和。 4．分别计算纸带上其他各点对应的重物的动能和重力势能之和。 数据分析 1．瞬时速度的测量 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内重物运动的距离sn和sn＋1(或测出hn－1和hn＋1)，由公式vn＝即可得到打n点时重物的瞬时速度，如图所示。 2．数据处理 方法一：利用起始点和第n点计算。 代入mghn和mvn2，如果在实验误差允许的范围内mghn和mvn2相等，即可验证机械能守恒定律。 方法二：任取两点计算。 ①任取两点A、B，测出hAB，计算出mghAB。 ②计算出mvB2－mvA2的值。 ③在实验误差允许的范围内，若mghAB＝mvB2－mvA2成立，即可验证机械能守恒定律。 方法三：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。 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，使打出的纸带点迹清晰。 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。 创新探究 1．思路创新 改进速度的测量方法，利用光电门，记录挡光时间，利用平均速度代替瞬时速度。 2．实验步骤 ①用刻度尺测出A、B之间的距离h1。 ②用游标卡尺测出小球的直径d。 ③让小球从某一高度处由静止释放。 ④小球依次从A、B两个光电门传感器的发射器和接收器之间通过。测得挡光时间分别为t1、t2。 ⑤计算小球经过光电门A、B的速度vA＝，vB＝。 ⑥利用公式验证机械能守恒定律。 实验原理与操作 [典例1]　用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源，输出低压交流电和直流电两种，重物从高处由静止开始落下，重物拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点的痕迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。 (1)下面列举了该实验的几个操作步骤： A．按照图示的装置安装器件； B．将打点计时器接到电源的直流输出端上； C．用天平测量出重物的质量； D．释放悬挂纸带的夹子，接通电源开关打出一条纸带； E．测量打出的纸带上某些点之间的距离； F．根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。 其中没有必要进行的步骤是________；操作不恰当的步骤是________。 (2)某同学做“验证机械能守恒定律”的实验时，打下的一条纸带如图所示，0点为起始点，测得3点、6点、9点与第一点0间的距离分别为hA＝1.75 cm，hB＝7.00 cm，hC＝15.70 cm，交流电的周期是0.02 s，当地的重力加速度g＝9.8 m/s2，设重物的质量是m＝1.00 kg，则从0点到6点，重物的动能增量ΔEk＝________J，重物重力势能减少量ΔEp＝________J。(均保留两位有效数字) [解析]　(1)没有必要进行的步骤是C，本实验是用自由落体运动验证机械能守恒，验证的是mgh＝mv2，所以质量可不用测；操作不恰当的步骤是BD，打点计时器连接的应该是交流电源，操作时应该先接通电源后释放重物。 (2)从0点到6点，重物的动能增量ΔEk＝mvB2＝mvAC2，所以ΔEk＝×1×2 J≈0.68 J，重物重力势能减少量ΔEp＝mghB≈0.69 J。 [答案]　(1)C　BD　(2)0.68　0.69 关于实验操作的三点提醒 (1)本实验不需要测量重物的质量。 (2)打点计时器连接的应该是交流电源。 (3)实验时应该先接通电源后释放重物。　　 数据处理与误差分析 [典例2]　某实验小组做“用落体法验证机械能守恒定律”的实验，实验装置如