(讲义)第8章 第5节 实验：验证机械能守恒定律-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册(人教版2019)

第5节　实验：验证机械能守恒定律 1．会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的瞬时速度。 2．掌握利用落体法验证机械能守恒定律的原理和方法。 3．会使用气垫导轨、光电门，理解并掌握利用滑块沿导轨下滑验证机械能守恒定律的原理和方法。 类型一　实验原理与操作 【典例1】　“验证机械能守恒定律”的实验装置可以采用图示的甲或乙方案来进行。 (1)比较这两种方案，________(选填“甲”或“乙”)方案好些。 (2)在“验证机械能守恒定律”的实验中，直接测量的物理量是________。 A．重力加速度 B．重物下落的高度 C．重物下落的瞬时速度 D．重物下落的平均速度 (3)在进行“验证机械能守恒定律”的实验时，应______。 A．先释放纸带，再接通电源 B．用手托住重物由静止释放 C．根据v＝gt计算重物在t时刻的速度 D．使重物下落的起始位置靠近打点计时器 [解析]　(1)甲方案摩擦阻力小，误差小，而且方便操作，所用实验器材少，所以甲方案好些。 (2)验证机械能守恒的实验，即验证重力势能减少量等于动能的增加量，所以重力加速度是已知的，无须测量，A错误；实验要计算重力势能的减少量，所以需要测量重物下落的高度，B正确；本实验下落的瞬时速度是根据纸带处理得到，无法直接测量，而平均速度本实验用不到，C、D错误。 (3)在实验时应先接通电源，打点稳定后再释放纸带，A错误；释放时，纸带应竖直，减少与限位孔的摩擦，所以释放时，应按题图中所示用手竖直提起纸带，B错误；因为要验证机械能守恒，所以速度需根据实际的纸带计算，而不能用自由落体公式计算，因为自由落体运动只受重力，机械能一定守恒，C错误；释放纸带前，重物应靠近打点计时器，这样可以充分利用纸带，D正确。 [答案]　(1)甲　(2)B　(3)D 类型二　数据处理和误差分析 【典例2】　某实验小组“用落体法验证机械能守恒定律”，实验装置如图甲所示。实验中测出重物自由下落的高度h及对应的瞬时速度v，计算出重物减小的重力势能mgh和增加的动能mv2，然后进行比较，如果两者相等或近似相等，即可验证重物自由下落过程中机械能守恒。请根据实验原理和步骤回答下列问题： (1)关于上述实验，下列说法正确的是________。 A．重物最好选择密度较小的木块 B．重物的质量可以不测量 C．实验中应先接通电源，后释放纸带 D．可以利用公式v＝来求解瞬时速度 (2)如图乙是该实验小组打出的一条点迹清晰的纸带，纸带上的O点是起始点，选取纸带上连续的点A、B、C、D、E、F作为计数点，并测出各计数点到O点的距离依次为27.94 cm、32.78 cm、38.02 cm、43.65 cm、49.66 cm、56.07 cm。已知打点计时器所用的电源是50 Hz的交流电，重物的质量为0.5 kg，则从计时器打下点O到打下点D的过程中，重物减小的重力势能ΔEp＝________J；重物增加的动能ΔEk＝________J，两者不完全相等的原因可能是________。(重力加速度g取9.8 m/s2，计算结果保留三位有效数字) (3)实验小组的同学又正确计算出图乙中打下计数点A、B、C、D、E、F各点的瞬时速度v，以各计数点到A点的距离h′为横轴，v2为纵轴作出图像，如图丙所示，根据作出的图线，能粗略验证自由下落的物体机械能守恒的依据是____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________。 [解析]　(1)重物最好选择密度较大的铁块，受到的阻力较小，故A错误；本题是以自由落体运动为例来验证机械能守恒定律，需要验证的方程是mgh＝mv2，因为我们是比较mgh、mv2的大小关系，故m可约去比较，不需要用天平测量重物的质量，故B正确；实验中应先接通电源，后释放纸带，故C正确；不能利用公式v＝来求解瞬时速度，否则体现不了实验验证，变成了理论推导，故D错误。 (2)重力势能减小量ΔEp＝mgh＝0.5×9.8×0.436 5 J≈2.14 J。利用匀变速直线运动的推论：vD＝＝ m/s＝2.91 m/s，EkD＝＝ ×0.5×(2.91)2 J≈2.12 J，动能增加量ΔEk＝EkD－0＝2.12 J。由于存在阻力作用，所以重力势能减小量大于动能的增加量。 (3)根据表达式mgh＝mv2，则有v2＝2gh；当图像的斜率为重力加速度的2倍时，即可验证机械能守恒，而图像的斜率k＝ m/s2＝19.52 m/s2，因此能粗略验证自由下落的物体机械能守恒。 [答案]　(1)BC　(2)2.14　2.12　重物下落过程中受到