第5节 实验：验证机械能守恒定律

第5节实验：验证机械能守恒定律

实验目的1．通过实验研究物体运动过程中动能与重力势能的变化，从而验证机械能守恒定律。2．练习使用打点计时器或气垫导轨等器材验证机械能守恒定律。

实验思路思路1：自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。思路2：物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力与物体位移方向垂直(如图甲所示)，对物体不做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。思路3：用细线悬挂的小球摆动时，细线的拉力与小球的运动方向垂直，对小球不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有重力做功，也满足机械能守恒的条件。

实验器材铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带纸带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源。

实验步骤1．安装置：按如图乙所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。乙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2mm的纸带，把纸带上打出的两点间的距离为2mm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：用毫米刻度尺测出O点到计数点1、2、3…的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3…丙

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。(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；甲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．测量打出的纸带上选中点与起始点之间的距离；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。其中没有必要进行的步骤是________；操作不恰当的步骤是________。(2)某同学做“验证机械能守恒定律”的实验时，打下的一条纸带如图乙所示，0点为起始点，测得3点、6点、9点与第一点0间的距离分别为hA＝1.75cm，hB＝7.00cm，hC＝15.70cm，交流电的周期是0.02s，当地的重力加速度g＝9.8m/s2，设重物的质量是m＝1.00kg，则从0点到6点，重物的动能增量ΔEk＝_____J，重物重力势能减少量ΔEp＝_____J。(均保留两位有效数字)乙[答案]

(1)C

BD

(2)0.68

0.69[微点拨]关于实验操作的三点提醒(1)本实验不需要测量重物的质量。(2)打点计时器连接的应该是交流电源。(3)实验时应该先接通电源后释放重物。

【对点训练】1．在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，电源的频率为50Hz，依次打出的点为0、1、2、…、n。则：(二)数据处理与误差分析

典例2

(2025·河南高考)实验小组利用图1所示装置验证机械能守恒定律。可选用的器材有：交流电源(频率50Hz)、铁架台、电子天平、重锤、打点计时器、纸带、刻度尺等。图1(1)下列所给实验步骤中，有4个是完成实验必需且正确的，把它们选择出来并按实验顺序排列：______(填步骤前面的序号)。①先接通电源，打点计时器开始打点，然后再释放纸带②先释放纸带，然后再接通电源，打点计时器开始打点③用电子天平称量重锤的质量④将纸带下端固定在重锤上，穿过打点计时器的限位孔，用手捏住纸带上端⑤在纸带上选取一段，用刻度尺测量该段内各点到起点的距离，记录分析数据⑥关闭电源，取下纸带(2)图2所示是纸带上连续打出的五个点A、B、C、D、E到起点的距离。则打出B点时重锤下落的速度大小为________m/s(保留3位有效数字)。图2(3)纸带上各点与起点间的距离即为重锤下落高度h，计算相应的重锤下落速度v，并绘制图3所示的v2­h关系图像。理论上，若机械能守恒，图中直线应______(填“通过”或“不通过”)原点且斜率为________(用重力加速度大小g表示)；由图3得直线的斜率k＝____________(保留3位有效数字)。图3答案：C

(1)实验步骤：①将气垫导轨放在水平面上，桌面高度不低于1m，将导轨调至水平；②用游标卡尺测量挡光条的宽度为l＝9.30mm；创新点(二)实验器材、数据处理的创新2.某同学将小球a、b分别固定于一轻杆的两端，轻杆呈水平且处于

静止状态，释放轻杆使a、b两球随轻杆逆时针转动，用如图所示

装置验证机械能守恒定律，已知重力加速度大小为g。(1)测出小球的直径为d，测出小球a、b质量分别为ma和mb，光电门记录小球的挡光时间为Δt，转轴O到a、b球的距离分别为la和lb，光电门固定于转轴O的正下方，与O的距离为lb，如果系统(小球a、b)的机械能守恒，应满足的关系式为____________________(用题中测量量的字母表示)。(2)分析本实验中可能产生误差的原因(说出一条即可)