8.5 实验：验证机械能守恒定律

5.实验：验证机械能守恒定律跳水运动员下落的过程中不计空气阻力，机械能是否守恒？怎样验证？小球通过“过山车模型”过程中，机械能守恒吗？如何验证呢？通过实验，验证机械能守恒定律。1.掌握验证机械能守恒定律的实验原理、器材、步骤、数据处理和误差分析。2.会用打点计时器打下的纸带计算瞬时速度。（科学探究）（科学思维）

体会课堂探究的乐趣，汲取新知识的营养，让我们一起吧！进走课堂【探究一：实验方案设计】问题1：机械能守恒定律的条件是什么？只有重力或弹力做功问题2：回顾以前学过的运动，哪种运动形式可以用来验证机械能守恒定律？自由落体运动只受重力，符合验证条件问题3：在自由落体运动中，实验需验证的关系？物体的重力势能的减少量是否等于动能的增加量，若二者相等，就可以说明机械能守恒。实验方案:利用自由落体运动下落过程中动能与势能的转化，可以验证机械能守恒定律。打点计时器、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台（带铁夹）、学生电源等。夹子打点计时器纸带重物？铁架台实验器材实验步骤1.将打点计时器固定在铁架台上，把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。2.用手提着纸带使重物停靠在打点计时器附近。然后先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落。3.更换纸带，重复几次。4.选择合适的纸带，处理数据。实验步骤演示问题1：怎样测定第n个点的瞬时速度？Onsnsn+1dndn+1dn-1测出第n个点的相邻前、后两段相等时间T内下落的距离sn和sn+1【探究二：实验中需要测量的物理量】由公式，或由算出mgh

=mv

212gh

=v

212无需测量物体的质量问题2：是否需要测量重物的质量？第1种方法是根据机械能守恒定律得到的，而我们的目的就是验证机械能守恒定律，所以不能用。第2种方法认为加速度为g，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际加速度必将小于g，这样将得到机械能增加的结论，有阻力作用机械能应该是减少的，故这种方法也不能用。问题3：计算物体的速度，可有三种方法，哪种方法不合适？为什么？测量点n123456高度hn

/m速度vn

/(m/s)势能EP

/J动能EK/J可不可以用图象处理数据?数据记录0hv

212gh

=v

212该图象的斜率表示什么？为什么图象通过原点？图象法处理数据【探究三：实验操作中需要注意的事项】

问题1：重物下落过程中，除了重力外还受哪些阻力？怎样减少这些阻力对实验的影响？会受到空气阻力和限位孔对纸带的摩擦力的影响①重物应该选择小而重的（即密度比较大的）

②打点计时器安装时要竖直，同时必须使纸带两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。问题2：在纸带上选择哪两个位置作为过程的开始和终结采集数据？以打在纸带上的第1个点作为开始（初速度为零）（1）若根据来判定，则：【互动探究】如何判定纸带上的第一个点就是纸带刚开始下落时打下的呢？x

=

gt2

=

×9.8×0.022m

≈2×10-3m=

2

mm纸带上的头两个点间的距离应接近2mm。h起始点（2）若根据来判定【互动探究】可以回避起始点吗？（即处理纸带时可以不用到起始点吗）?ΔhAB可以，如选取A、B两点，比较物体从A落到B的过程中：减少的重力势能是否等于增加的动能问题：该实验的误差主要来源于哪些方面？【探究四：实验误差分析】1.偶然误差：测量长度时会带来误差。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必定稍小于势能的减少量ΔEP

。一、实验原理其他验证方法：利用气垫导轨验证机械能守恒定律二、实验器材为了使系统误差更小，采用气垫导轨来减小摩擦。使用光电门测量瞬时速度。气垫导轨光电门数字计时器三、实验步骤实验操作中，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，重力势能减小，动能增大。测量滑块和挡光片的质量，用光电门测量滑块的瞬时速度。测量滑块下降的高度Δh和初、末速度v1、v2。系统守恒法一、实验原理砝码通过绕过定滑轮的细线牵连静止放在气垫导轨上的滑块，从静止释放。设砝码和托盘总质量为m，滑块和挡光条总质量为M。

系统守恒法验证机械能守恒定律二、实验步骤1.将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1m，将导轨调至水平；2.测出挡光条的宽度l；3.由导轨标尺读出两光电门中心间的距离s；4.将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；5.从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电

门2所用的时间Δt1和Δt2；6.用天平称出滑块和挡光条的总质量M，

再称出托盘和砝码的总质量m。二、实验步骤三、数据处理1.滑块通过光电门1和光电门2时，瞬时速度分别为v1＝____和v2＝____.2.当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1＝_____________和Ek2＝_____________。3.在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统重力势能的减少量

(重力加速度为g)。ΔEp＝mgs4.如果ΔEp＝___________________________，则可认为验证了机械能守恒定律。创新设计：验证机械能守恒定律一、实验原理如图，悬挂在O点的小球摆到最低点时恰好与桌面接触但没有弹力，D处(箭头所指处)放一锋利的刀片，细线到达竖直位置时能被割断，小球做平抛运动落到地面，P是一刻度尺。该方案只需利用刻度尺测量A位置到桌面的高度H、桌面到地面的高度h及小球平抛运动的水平位移x即可验证机械能守恒。二、验证过程实验时可多次改变H值并测量与之对应的x值，利用作图像的方法验证。为了直观地表述H和x的关系，可用横轴表示H，纵轴表示x2，建立坐标系。验证机械能守恒定律实验方法速度测量注意事项中间时刻的瞬时速度与这段时间上的平均速度的数值相等实验的结果受阻力影响重物的质量不必测量多做几次反复验证用mgh表示重力势能的减少量用表示动能的增加量比较两者是否相等1.利用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验。下列说法中正确的是（）A．实验中必须用天平测出重物的质量B．必须用秒表测出重物下落的时间C．应先释放纸带，后打开打点计时器的电源D．释放纸带前，手捏住纸带上端并使纸带处于竖直方向

D2、如图是“验证机械能守恒定律”的装置，气垫导轨上安装了1、2两个光电门，滑块上固定一竖直遮光条，滑块用细线绕过定滑轮与钩码相连，细线与导轨平行。在调整气垫导轨水平时，滑块不挂钩码和细线，接通气源后，给滑块一个初速度，使它从轨道右端向左运动，发现滑块通过光电门2的时间大于通过光电门1的时间。为使气垫导轨水平，可采取的措施是（

）A．调节P使轨道左端升高一些B．调节P使轨道左端降低一些C．遮光条的宽度应适当大一些D．滑块的质量增大一些

A3.某同学用图示的实验装置“验证机械能守恒定律”，图(b)是用6V、50Hz的打点计时器打出的一条纸带，O点为重锤下落的起点，选取的计数点A、B、C、D到O点的距离在图中已标出，重力加速度g取9.8m/s2，重锤的质量为1kg.(计算结果均保留两位有效数字)(1)打点计时器打下B点时，重锤下落的速度vB＝____m/s，重锤的动能EkB＝________J.从O到B，重锤的重力势能减少量为________J.1.20.720.73(2)根据以上计算，在误差允许范围内，从起点O到打下B点过程中，你得到的结论是_________________________.重锤下落过程中机械能守恒4.某实验小组为验证系统机械能守恒，设计了如图所示的装置，实验过程如下：（1）用螺旋测微器测量砝码上端固定的遮光片厚度时，螺旋测微器示数如图乙所示，则d＝____________mm，测得砝码和遮光片总质量

；（2）按图甲安装实验器材并调试，确保砝码竖直上下振动时，遮光片运动最高点高于光电门1的激光孔，运动最低点低于光电门2的激光孔；（3）实验时，利用计算机记录弹簧拉伸量x及力传感器的读数F，画出F-x图像，如图丙所示；5.（2022·广东选择考）某实验小组为测量小球从某一高度释放，与某种橡胶材料碰撞导致的机械能损失，设计了如图（a）所示的装置，实验过程如下：（1）让小球从某一高度由静止释放，与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门位置，使小球从光电门正上方释放后，在下落和反弹过程中均可通过光电门。（2）用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图（b）所示，小球直径d=_______mm。（3）测量时，应__________（选填“A”或“B”，其中A为“先释放小球，后接通