第4章 第6节 实验：验证机械能守恒定律（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第二册（教科版2019）

第6节　实验：验证机械能守恒定律 实验目的 验证只有重力做功时，系统的机械能守恒。 实验原理与设计 1．实验的基本思想——验证性实验 让重物自由下落，忽略阻力情况下重物的机械能守恒，有两种方案验证重物的机械能守恒： (1)以重物下落的起始点O为基准，测出重物下落高度h时的速度大小v，若mv2＝mgh成立，则可验证重物的机械能守恒。 (2)测出重物下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2，若关系式mv22－mv12＝mgh成立，则重物的机械能守恒。 2．实验设计——两个物理量的测量方法 (1)高度h的测量： 用刻度尺测量重物下落过程的高度h。 (2)速度v的测量： 利用匀变速直线运动中某段时间的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度，来求某点的瞬时速度。 实验器材 铁架台(带铁夹)、电火花打点计时器、重物(带纸带夹子)、纸带、导线、毫米刻度尺、交流电源等。 实验步骤 1．安装置：按如图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。 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：选取点迹较为清晰且前两点间的距离约为2 mm的纸带，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… 4．测距离：用刻度尺测出O点到计数点1、2、3…的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3… 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1、2、3、4、…、n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4、…、vn。 2．机械能守恒验证——三种方法 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mvn2，计算ghn和vn2，如果在实验误差允许的范围内ghn＝vn2，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mvB2－mvA2，计算ghAB和vB2－vA2，如果在实验误差允许的范围内ghAB＝vB2－vA2，则机械能守恒定律得到验证。 方法三：图像法 计算各计数点速度平方的一半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v2-h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。 误差分析 1．在进行长度测量时，测量及读数不准造成偶然误差。 2．系统误差的主要来源是重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内能，下落高度越大，机械能损失越多，所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象。 3．由于交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而产生系统误差。 注意事项 1．应尽可能控制实验，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，增大重力可使阻力的影响相对减小，增大密度可以减小体积，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。接通电源后，等打点计时器工作稳定再松开纸带。 3．纸带的选取 (1)以第一个点为起点时，要验证的是mvn2＝mghn，必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距为h＝gt2＝×10×(0.02)2m＝2 mm。 (2)以下落中某点为起点时，要验证的是mvm2－mvn2＝mghmn，这时选择纸带不需要满足前两点间距为2 mm。 4．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。 5．测量下落高度时，为减小实验误差，后边的点应距起点O较远，在测量各点到O点的距离时，应当用刻度尺从O点量起，一次性读出各点到O点的距离。 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