8.5 实验：验证机械能守恒定律-【正禾一本通】2023-2024学年新教材高一物理必修2同步课堂高效讲义教师用书(人教版）

第五节 实验：验证机械能守恒定律► 对应学生用书P107 　导学第一步　预习新知，理清实验过程 [实验目的]1.验证机械能守恒定律；2.进一步熟悉打点计时器(或光电门)的使用。 一、物理量的测量 根据重力势能和动能的定义，需要测量的物理量有物体的质量、物体所处位置的高度以及物体的运动速度。 1．质量的测量：可用天平测量。 2．高度的测量：可用刻度尺测量。 3．瞬时速度的测量 (1)用打点计时器打下的纸带测量 测出打n点前、后相邻两段相等时间T内物体运动的距离xn和xn＋1(或测出hn－1和hn＋1)，由公式vn＝或vn＝即可得到打n点时物体的瞬时速度，如图所示。 说明：由匀变速直线运动的规律可知，物体某段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度。 (2)用光电门测量 遮光条通过光电门时的瞬时速度等于遮光条通过光电门时的平均速度，则根据遮光条的宽度l和遮光时间Δt，可以算出物体经过光电门时的速度v＝。 二、数据分析 方法1：计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足 mv22＋mgh2＝mv12＋mgh1　① 方法2：计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足 mv22－mv12＝mgh1－mgh2　② 若在误差允许范围内，等式①(或②)满足，即可验证机械能守恒。 三、两个实验方案 方案一、研究自由下落物体的机械能 1．实验器材 铁架台(带铁夹)、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(8 V)。 2．实验步骤 (1)安装实验装置 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，用导线将打点计时器与低压交流电源相连接。 (2)进行实验 ①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，打点结束后立即关闭打点计时器电源。 ②更换纸带重复做3～5次实验。 (3)选取纸带(分两种情况) ①如果根据mgh＝mv2验证，应选点迹清晰，所打点在同一条直线上，且第1、2两点间距离略小于2 mm的纸带。(根据h＝gt2，当t＝0.02 s时h＝1.96 mm，说明重物是在打第一个点时开始下落的。) ②如果根据mgΔh＝mvB2－mvA2验 证，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否略小于2 mm就无关紧要了，只要后面的点迹清晰就可选用。 方案二、研究沿斜面下滑物体的机械能 1．实验装置图 2．实验过程 (1)把气垫导轨调成水平，然后用垫块把导轨的一端垫高h1。质量为m的滑块上面装有宽为l的挡光片，让它由导轨上端任一处滑下，测出它通过光电门G1和G2时的时间Δt1和Δt2，就可算出它由G1到G2这段过程中动能的增加量 ΔEk＝m。 (2)由图可知＝，由已知的L值和所取的h1、s值可算出Δh值，然后可以求出滑块由G1到G2这段过程中重力势能的减少量ΔEp＝mgΔh。 (3)由实验结果可看出在误差允许的范围内ΔEp＝ΔEk，从而验证了机械能守恒定律。 　导学第二步　课堂探究，培养关键能力 要点一 | 数据处理和误差分析 1．数据处理 主要有以下三种方法： (1)利用起始点和第n点计算 代入mghn和mvn2，如果在实验误差允许的范围内mghn和mvn2相等，即可验证机械能守恒定律。 (2)任取两点计算 ①任取两点A、B，测出hAB，计算出mghAB。 ②计算出mvB2－mvA2的值。 ③在实验误差允许的范围内，若mghAB＝mvB2－mvA2成立，即可验证机械能守恒定律。 (3)图像法 从纸带上选取多个点，测量从第一个点到选取各点的下落高度h，并计算出各点速度的二次方v2，然后以v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2­h图线。若在误差允许的范围内图线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。 2．误差分析 (1)在进行长度测量时，测量及读数不准确造成误差。 (2)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误差。 [例1] (2023·哈尔滨第九中学期末)验证机械能守恒定律的实验装置如图甲所示，现有的器材：带铁夹的铁架台、纸带、电火花打点计时器、频率为50 Hz的交流电源、带夹子的重物。回答下列问题： (1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有________； A．秒表　　　B．天平　　　C．毫米刻度尺 (2)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的________； A．动能变化量与重力势能变化量 B．速度变化量和重力势能变化量 C．速度