第四章 6 实验：验证机械能守恒定律-2022-2023学年新教材高中物理必修第二册【精讲精练】教科版（教师用书word）

6　实验：验证机械能守恒定律 [学业要求与核心素养] 1．会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。 2．掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。 [实验思路] 只有重力或弹力做功的系统内，动能和势能相互转化时总的机械能保持不变，应满足 mv－mv＝mgh1－mgh2 因而需要测量物体的质量，物体所处位置的高度及运动速度这三个物理量。 [实验方案]　研究自由下落物体的机械能。 一、实验方法 1．实验器材 验证机械能守恒定律的装置如图所示，实验用到的器材有：铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、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．测量重物下落过程中重力势能的变化：重物的质量用天平测出，纸带上某两点的距离等于重物下落的高度，用毫米刻度尺测量，这样就能得到重物下落过程中重力势能的变化。 3．测量重物在某点的动能：纸带上第n个点的瞬时速度等于这个点前后相邻两点间的平均速度vn＝(hn＋1、hn－1分别为第n＋1个点、第n－1个点到第一个点的距离)。 4．验证机械能守恒：实验中比较物体在某两点间的动能变化与重力势能变化，就能验证机械能守恒。 二、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＝，计算出点1、点2、点3、……点n的瞬时速度v1、v2、v3、……vn。 2．机械能守恒验证 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mv，计算ghn和v，如果在实验误差允许的范围内ghn＝v，则机械能守恒定律得到验证。 方法二：任取两点A、B。 从A点到B点，重力势能减少量为mghA－mghB，动能增加量为mv－mv，计算ghAB 和v－v，如果在实验误差允许的范围内ghAB＝v－v，则机械能守恒定律得到验证。 方法三：图像法。 计算各计数点v2，以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v2­h图线，如图所示。若在误差许可的范围内图像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。 三、注意的问题 1．减少阻力的方法：重物下落的过程中，除了重力外还会受到空气阻力和摩擦阻力的影响。减小这些阻力的方法有(1)应选用质量和密度较大的重物，以减小阻力的影响；(2)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．重物下落过程的开始和终结的位置的选择：选起始点和后边距离起始点适当远些的一个点分析机械能守恒方便。 题型一　对实验操作的考查 　在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，电源的频率为50 Hz，依次打出的点为0,1,2,3,4，…，n。则： (1)如用第2点到第6点之间的纸带来验证，必须直接测量的物理量为_____________、_____________、__________，必须计算出的物理量为______________、______________，验证的表达式为______________。 (2)下列实验步骤操作合理的排列顺序是__________(填写步骤前面的字母)。 A．将打点计时器竖直安装在铁架台上 B．接通电源，再松开纸带，让重物自由下落 C．取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验 D．将重物固定在纸带的一端，让纸带穿过打点计时器，用手提着纸带 E．选择一条纸带，用刻度尺测出物体下落的高度h1，h2，h3，…，hn计算出对应的瞬时速度v1，v2，v3，vn F．分别算出mv和mghn，在实验误差范围内看是否相等 [解析]　(1)要验证从第2点到第6点之间的纸带对应重物的运动过程中机械能守恒，应测出第2点到第6点的距离h26，要计算第2点和第6点的速度v2和v6，必须测出第1点到第3点之间的距离h13和第5点到第7点之间的距离h57，机械能守恒的表达式为mgh26＝mv－mv。 (2)实验操作顺序为ADBCEF。 [答案]　(1)第2点到第6点之间的距离h26　第1点到第3点之间的距离h13　第5点到第7点之间的距离h57　第2点的瞬时速度v2　第6点的瞬时速度v6 mgh26＝mv－mv (2)ADBCEF 题型二　实验数据分析与处理 　用如图甲所示实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两个计数点间还有4个点(图中未标出)，计数点间的距离如图乙所示。已知m1＝50 g、m2＝150 g，则(g取10 m/s2，结果保留两位有效数字) (1)在纸带上打下