第四章 第6节　实验：验证机械能守恒定律（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材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 [对应学生用书P81] 验证只有重力做功时，系统的机械能守恒． 在重物自由下落的过程中，如果它受到的空气阻力可以忽略不计，那么它的机械能守恒．设重物的质量为m，利用纸带和打点计时器，测出重物在下落过程中A、B两点的速度，则重物由A点下落至B点时重力势能的减少量为ΔEp＝mg(hA－hB)，动能的增加量为ΔEk＝mv－mv.在误差允许范围内，若ΔEp＝ΔEk，则可验证机械能守恒定律． 打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、带有铁夹的铁架台、导线． 1．安装器材：将打点计时器固定在铁架台上；用导线将打点计时器与低压交流电源相连接． 2．接电源，打纸带：把纸带的一端在重物上用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物停靠在打点计时器附近．接通电源，待打点稳定后松开纸带．让重物自由下落．重复几次，打下3～5条纸带． 3．选纸带：选取点迹较为清晰的纸带，挑选纸带上第一个点及距离第一个点较远的点，并依次标上0、1、2、3…… 4．数据测量：测出0到点1、点2、点3……的距离，即为对应的下落高度h1、h2、h3…… 方法一：若验证从第一个点到某个点n过程中机械能守恒，需验证mghn＝mv，其中vn＝，此种情况下，需要选择第1、2两点间距约为2 mm(因为gT2＝×g×0.022 m≈2 mm)、点迹清晰的纸带． 方法二：若验证从第m点(m≠1)到第n点过程中机械能守恒，需验证mghmn＝mv－mv，其中hmn为第m点到第n点的距离，vm、vn分别是打第m个点和第n个点的速度． vm＝，vn＝ 无论是方法一还是方法二，都不需要测定重物质量m.通过计算，验证在误差允许的范围之内v与ghn是否相等或v－v与ghmn是否相等． 1．安装打点计时器时，必须使两个限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力． 2．应选用密度大、体积小的物体，以减小空气阻力的影响． 3．实验时必须保持提起的纸带竖直，手不动．接通电源后，让打点计时器工作稳定后再松开纸带，以保证第一个点是清晰的． 4．速度不能用vn＝gtn或vn＝计算得到，因为只要认为加速度为g，机械能就一定守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，所以速度应从纸带上直接测量计算．同样的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接测量，而不能用hn＝gt或hn＝计算得到． 1．偶然误差 测量长度时会带来误差，减小误差的办法如下： (1)测距离时都应从所打的第一个点量起． (2)多测几次取平均值． 2．系统误差 实验中重物和纸带下落过程中要克服阻力(主要是打点计时器的阻力)做功，故动能的增加量ΔEk必定稍小于重力势能的减少量ΔEp. [对应学生用书P82] 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，输出电压有6 V的交流电和直流电两种，重物从高处由静止开始下落，重物拖着纸带通过打点计时器打出一系列的点．对纸带上的点进行测量，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材； B．将打点计时器接到电源的直流输出端上； C．用天平测出重物的质量； D．释放纸带，同时接通电源打出一条纸带； 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． 其中没有必要进行或者操作不恰当的步骤是________．(填字母代号) (2)在验证机械能守恒定律的实验中，若以v2为纵轴、以h为横轴，则根据实验数据绘出v2­h的图像应是______________，才能验证机械能守恒定律．v2­h图像的斜率 解析　(1)打点计时器应接到电源的交流输出端上，故B操作不恰当；验证机械能是否守恒只需验证mgh＝mv2，即gh＝v2，m可约去，故不需要用天平测重物的质量，故C没有必要进行；开始实验时，应先给打点计时器通电打点，然后再释放重物，让它带着纸带一同落下，如果先放开纸带让重物下落，再接通打点计时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会使实验产生较大的误差，故D操作不恰当． (2)利用v2­h图线处理数据，物体自由下落过程中机械能守恒，mgh＝mv2，即v2＝gh，若以v2为纵轴、以h为横轴，画出的图线应是过原点的倾斜直线，由上式易知v2­h图线的斜率等于重力加速度g的数值． 答案　(1)BCD　(2)过原点的倾斜直线　重力加速度g 等于____________的数值． [训练1]　在验证机械能守恒定律的实验中，有位同学按以下步骤进行实验操作： A．用天平称出重锤和夹子的质量； B．固定好打点计时器，将连着重锤的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器； C．松开纸带，接通电源，开始打点．并如此重复多次，以得到多条打点纸带； D．