（人教版）高中物理必修二第1部分 第七章 第9节 实验：验证机械能守恒定律

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第
七章

机械能守恒定律

第
9
节

实验：
验证
机械
能守
恒定
律
考向三
一、实验目的
(1)用落体法验证机械能守恒定律。
(2)理解实验设计思路，明确实验中需要直接测量的物理量。
(3)熟悉实验操作，能正确测量数据，会求瞬时速度。
(4)掌握实验数据的处理方法，能定性分析误差产生的原因。
图7－9－1
三、实验器材
铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重锤(带纸带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源。
四、实验步骤
(1)安装：将打点计时器固定在铁架台上；用导线将打点计时器与低压交流电源相连接。
(2)接通电源，打纸带：把纸带的一端在重物上用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物停靠在打点计时器附近，接通电源，待打点稳定后松开纸带，让重物自由下落。重复几次，打下3～5条纸带。
(3)选纸带：选取点迹清晰的且第1、2连续两点间的距离约为2mm的纸带。
(4)标数字：在打出的纸带上从打出的第1个点开始，依次标上0,1,2,3，…
(5)数据测量：测出0到点1、点2、点3……的距离，即为对应的下落高度h1、h2、h3、…
六、误差分析
(1)本实验的误差主要是由于纸带测量产生的偶然误差和重物和纸带运动中空气阻力和打点计时器摩擦阻力引起的系统误差，使动能的增加量稍小于势能的减少量。
(2)测量时采取多次测量求平均值来减小偶然误差，安装打点计时器使两限位孔中线竖直，并且选择质量适当大些，体积尽量小些的重物来减小系统误差。
(3)打点计时器周期变化带来误差。
　　 [例1]　在“验证机械能守恒定律”的实验中：
(1)从下列器材中选出实验所必须的，其编号为________。
A．打点计时器(包括纸带)　　　 B．重物
C．天平 D．毫米刻度尺
E．秒表 F．运动小车
(2)打点计时器的安装放置要求为_______________；开始打点计时的时候，应先______________________，然后________________。
[答案]　(1)ABD
(2)底板要竖直，两限位孔在一条竖直线上　给打点计时器通电释放重物
(3)纸带通过打点计时器时有摩擦阻力和重物下落时所受空气阻力　小于所减小的重力势能　质量和密度大一些的
(4)一条通过坐标原点的倾斜直线　重力加速度g
[例2]　在“验证机械能守恒定律”的实验中，所用电源的频率为50 Hz，某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量时各点位置对应刻度尺上的读数如图7－9－2所示(图中O是打点计时器打的第一个点，A、B、C、D是间隔一段所取的点，图中单位为厘米)。根据实验并结合纸带回答以下问题：(g取9.8 m/s2)
图7－9－2
(1)现有器材：电磁打点计时器，低压交流电源，纸带，带夹子的重物，刻度尺，天平，导线，铁架台。其中该实验不需要的器材是______________________。
(2)实验时，释放纸带与接通电源的合理顺序是_______
______________________________________。
(3)实验中，要从几条打上点的纸带中挑选第一、二两点间的距离接近________mm并且点迹清晰的纸带进行测量。
(4)若重物的质量为m kg，则重物下落到B点时，减少的重力势能为________。
(5)若重物的质量为m kg，则重物下落到B点时，重物的动能为________。
(6)由纸带计算重物下落的加速度为________。[注：(4)、(5)、(6)三题小数点后面保留两位有效数字]
[答案]　(1)天平　(2)先接通电源，后释放纸带
(3)2　(4)6.88m J　(5)6.85m J　(6)9.63 m/s2
[例3]　利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图7－9－3所示。
图7－9－3
(1)实验步骤：
①将气垫导轨放在水平面上，桌面高度不低于1 m，将导轨调至水平；
②用游标卡尺测量挡光条的宽度为l＝9.30 mm；
③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝____ cm；
④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，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。
(2)用表示直接测量量的字母写出下列所示物理量的表达式；
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，系统势能的减少量ΔEp减＝________(重力加速度为g)。
(3)如果ΔEp减＝________，则可认为验证了机械能守恒定律。