复习专题十七 实验：验证机械能守恒定律-【精剖细解】2023年新高二物理暑假新思路分段讲义（全国通用）

复习专题十七 实验：验证机械能守恒定律 ——精剖细解细复习讲义 【实验目的】 学会利用自由落体运动验证机械能守恒定律的方法。 掌握机械能守恒定律实验的思路和误差分析。 学会利用气垫导轨和计时器验证机械能守恒定律的方法。 掌握实验的改进和创新对机械能守恒定律的探究方法。 【实验原理】 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，忽略阻力的情况下，物体的机械能守恒。有两种方案验证物体的机械能守恒： 以物体自由下落的位置O为起始点，测出物体下落高度h时的速度大小v，则物体重力势能的减少量为mgh，动能的增加量为mv2，如果在实验误差允许的范围内相等则验证了机械能守恒定律。 以物体自由下落的位置O为起始点，测出物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2，则物体重力势能的减少量为mgh，动能的增加量为mv22 - mv12，如果mv22 - mv12 =mgh则物体的机械能守恒。 速度可由公式vn＝或vn＝进行计算，如下图纸带所示： 【实验器材】 重物(带纸带夹)，铁架台(含铁夹)，打点计时器，交流电源，复写纸，导线，毫米刻度尺，纸带。 【实验装置图】 【实验步骤】 仪器安装：按实验装置图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。 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。 选纸带： 若根据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（如果1、2两点间的距离大于2 mm，原因是先释放纸带，后接通电源，因此第1个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选），把纸带上打出的两点间的距离为2 mm的第一个点作为起始点，记作O，在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、3、… 若根据mv－mv＝mgΔh验证时，由于重力势能的变化是绝对的，在处理纸带时只需选择适当的点为基准点就可以了，原因是纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2 mm就不影响结果。 【数据处理】 根据mv2＝mgh验证时，选取起始点和第n点计算，mghn和mv，若mghn和mv相等，则验证了机械能守恒定律； 根据mv－mv＝mgΔh验证时，任取两点A、B测出hAB，计算出mghAB和mv－mv的值，若mghAB＝mv－mv成立，则验证了机械能守恒定律； 图像法：从纸带上选取多个点，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，如果图线是一条过原点且斜率为g的直线，则验证机械能守恒定律。 【误差分析】 系统误差：重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内能，动能的增加量一定小于重力势能的减少量，这是不可避免的，属于系统误差； 偶然误差：长度测量时，测量及读数不准造成的误差；交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而产生误差；采用电火花打点计时器而不采用电磁打点计时器，可以避免振针阻力的影响，减小实验的误差。 【实验注意事项】 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。 应选用质量和密度较大的重物，增大重力和增大密度（减小体积）可使阻力的影响相对减小。 计算速度时不能用v=gt或v=，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误。 【实验创新】 利用光电门测速度，如下图所示，可减小因打点计时器限位孔及振针的阻力对实验精确度的影响。 用高频闪光照相机对自由落体运动的小球拍照，数据处理方法与处理纸带类似，可减小因打点计时器限位孔及振针的阻力对实验精确度的影响。 用一根不可伸长的轻绳、小圆柱、光电门来完成验证，如下图所示，实验原理为用轻绳拴住小物块，让其绕悬点由水平位置向下做圆周运动，在悬点的正下方固定好光电门，测出小圆柱经过光电门的速度，可由mgL＝mv2，验证机械能守恒。 利用平抛运动的知识来验证，如下图所示，实验原理为弧形轨道末端水平，距离地面的高度为H。将钢球从轨道的不同高度h处静止释放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s，则有： 由平抛规律：s＝vt、H＝gt2，又由机械能守恒：mgh＝mv2，若s2＝4Hh则机械能守恒定律得到验证。 验证机械能守恒定律的实验目的、原理与器材 1．如图所示，某实验小组在实验室中利用水平气垫导轨和两个光电门计时器A和B验证质量为M的滑块（含遮光条）和质量为m的钩码组成的系统机械能守恒。已知遮光条的宽度为d，先后通过A、B光电门的时间分别为、，光电门A、B之间的距离为s。滑块运动通过光电门B时，钩码未落地。（重力加速度为g） 实验中需要用到的器材有___________（填选项前的字母）。 A．天平 B．弹簧测力计