实验：验证机械能守恒定律

专题6.4实验:验证机械能守恒定律

一.讲必备知识

【知识点三】实验：验证机械能守恒定律

一.实验基本要求

।.实验目的：验证机械能守恒定律。

2.实验原理(如图所示)：通过实验，求出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和对应过程动能的增加量，在实验误差允许

范困内.若.者相等.说明机械能守恒.从而验证机械能守恒定律.

打点il时器一纸带

接电源鼠夹子

山\近物

"Hr

3.实验器材：打点计时器、交流电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台(带铁夹)、导线。

4.实验步骤

(1)女装器材：将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与电源相连。

(2)打纸带

用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落，打点计时器就在纸带

上打出一系列的点，取下纸带，换上新的纸带重打几条(3〜5条)纸带。

(3)选纸带：分两种情况说明

①若选笫1点。到下落到某一点的过程，即用〃岫=方谓来验证，应选点迹清晰，且第1、2两点间距离接近2mm的纸带(电

源频率为50Hz)。

②用;而品一夕〃笳=叫叫心验证时，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即可。

5.实验结论：在误差允许的范围内，自由落体运动过程机械能守恒。

二.基本实验方法

1.误差分析

(I)测量误差：减小测量误差的方法，一是测下落距离时都从O点量起，一次将各打点对应下落高度测量完，二是多测几次取

平均值。

(2)系统误差：由于重物和纸带下落过程中要克服阻力做功，故动能的增加量底必定稍小于重力势能的减少量AEp=

mgh,改进办法是调整安装的器材，尽可能地减小阻力。

2.注意事项

(1)打点计时器要啜直：安装打点计时器时要多直架稳，使其两限位孔在同一竖直线上，以减少摩擦阻力。

(2)亘物应选用质量大、体积小、密度大的材料。

(3)应先接通电源，让打点计时器正常工作，后松开纸带让重物下落。

(4)测尺度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用外="券」，不能用明=，荻或％=g/来计算。

3.验证方案

方案'：利用起始点和第〃点计算

代入“3加和/忌，如果在实验误差允许的范围内，，卬山和上欣相等，则验证了机械能守恒定律。

方案二：任取两点计算

⑴任取两点人、8,测出自8，算出〃四自8。

(2)算出八%一；〃?旧的值。

⑶在实验误差允许的范围内，若，”刎B=%?昂一%H0,则验证了机械能守恒定律。

方案三：图象法

从纸带上选取多个点，测量从笫一点到其余各点的卜落高度爪并计算各点速度的平方庚，然后以:口为纵轴，以〃为横轴,

根据实验数据作出3，一〃图象。若在误差允许的范围内图象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。

【例1】(2021•天津市六校期末联考)“落体法”是验证机械能守恒定律的主要方法之•(如图甲)，某次操作得到了如图乙所示

的纸带，已知打点周期为八重锤的质量为，〃，依次测出了各计时点到第一个计时点。的距离如图中所示，请问答下列问题：

(1)打4点时重锤的速度表达式vx=。若已经计算出A点和E点的速度分别为I%、VE,并且选取4到E的过程进

行机械能守恒定律的验证，则需要验证的关系式为<

(2)如果某次实验时，发现重力势能的减小量比动能的增加量大很多，出现这种现象的原因可能是__________(填序号)。

A.用物质量测量得不准确

B.因为阻力的作用，所以实险误差很大，但也能验证机械能守恒定律成立

C.打点计时器两个限位孔不在同一条竖直线上，摩擦力或阻力太大导致的

D.实验时出现「先放纸带，后接通电源这样的错误操作导致的

【素养提升】本题考察的学科素养主要是科学探究要求考生能理解实验原理及方法并且能利用纸带处理实验数据。

【必备知识】实验原理与操作

本实验是利用自由落体运动验证机械能守恒定律，测出物体下落的高度及初、末位置的速度是实验的关键，操作上注意三点：

(1)亘物要靠近打点计时器。

(2)纸带要保持竖直。

(3)元接通电源再放开纸带。

【变式训练I】.(202。•郑州模拟)如图片所示为验证机械能守恒定律的实验装置.现有解材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计

时器、纸带、带铁夹的重物、天平。

甲乙

(1)为完成实验，还需要的器材有

A.米尺B.0〜6V直流电源C.秒表D.0〜6V交流电源

(2)英同学用图甲所示装置打出的一条纸带如图乙所示，相邻两点之间的时间间隔为0.02s,根据纸带计算出打卜.。点时重物

的速度大小为nVso(结果保留三位有效数字)

(3)兴用重物下落的方法，根据公式%力验证机械能守恒定律，对实验条件的要求是，为验证和满足

此要求，所选择的纸带第1、2点间的跟离应接近°

(4)该同学根据纸带算出了相应点的速度，作出//图象如图丙所示，则图线斜率的物理意义是

二.讲关键能力

【能力点三】.实验创新

在高考中往往以课本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究

【例1】(2021•山东泰安市一轮检测)如图所示，利用气垫导轨进行“验证机械能守恒定律”实验的装置。主要实验步煤如下:

A.将气垫导轨放在水平桌面上，并调至水平：

B测出遮光条的宽度d；

C.将带有遮光条的滑块移至图示的位置，测出遮光条到光电门的距离/：

D.释放滑块，读出遮光条通过光电门的遮光时间，；

E.用天平称出托盘和袪码的总质量〃?；

F.……；

已知重力加速度为请回答下列问题：

(1)为验证机械能守恒定律，还需要测的物理量是_____________________［写出要测的物理量名称及对应该量的符号)。

(2)滑块从静止释放,运动到光电门的过程中.所要验证的机械能守恒的表达式_________________(用上述物理量符号表示).

【素养提升】本题考察的学科素养主要是科学探究及科学推理。

【方法技巧】本实验可以从F列几个方面进行创新

I.速度测量方法的创新

'由光电门测速度

从测量纸带上各点速度由频闪照片测速度

.由平抛运动测速度

2.研究对象的创新

从单个物体创新为两个物体组成的系统，验证系统在某一过程机械能守恒.

3.实验目的的创新

由机械能守恒定律测量弹簧的弹性势能，测重力加速度.

【变式训练1】(2021•山东日照市4月模拟)某实验小组用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。将一钢球用细线系住

悬挂在铁架台上，钢球静止于八点。在钢球底部就直地粘住一片宽度为的遮光条。在A的正下方固定一光电门，将钢球拉

至不同位置由静止释放，遮光条经过光电门的挡光时间，可由计时器测出，取1，=孑作为钢球经过A点时的瞬时速度。记录钢

球每次下落的高度h和计时器示数n计算并比较钢球在释放点和八点之间.重力势能的变化大小与动能的变化大小AEk,

就能验证机械能是否守恒。

(1)月计算钢球动辨变化量的大小，用刻度尺测量遮光条宽度，示数如图乙所示，其读数为cm。某次测量

中，计时器的示数为0.0100s,则钢球经过A时的速度i，=m/s(俣留3位有效数字)。

(2)二表为该实验小组的实验结果：

AEtXxlO-2J）4.8929.78614.6919.5929.38

Aa（xlO-2J）5.0410.115120.029.8

从表中发现△厮与AEk之间存在差异，可能造成该差异的原因是<

A.用AEp=mgh计算钢球重力势能的变化大小时，钢球下落高度h为测量释放时钢球球心到球在A点时底端之间的竖直距离

B.钢球下落过程中存在空气阻力

C.实验中所求速度是遮光条的速度，比钢球速度略大

【变式训练2】(2021T月广东学业水平选择考适应性测试，11)为了验证小球在竖直平面内提动过程的机械能是否守恒，利

用如图(a)装置，不可伸长的轻绳一端系住一小球，另一端连接力传感器，小球质量为〃?，球心到悬挂点的距离为L,小球释

放的位置到最低点的高度差为/?，实验记录轻绳拉力大小随时间的变化如图(b),其中尸m是实验中测得的最大拉力值，重力加

速度为8,请回答以下问题；

(1)小球第一次