实验：验证机械能守恒定律

(m -)
2
ΔEp= mgh ,动能的增加量 ΔEk=
。(均用题中所给字
母表示)
(2)观察图 2 中拉力峰值随时间变化的规律,试分析造成这一结
果的主要原
空气阻力做负功,机械能有损失
因:
。
(3)为减小实验误差,实验时应选用密度 较大 (选填“较大”或“较
小”)的小球。
1.(任务 1)在“验证机械能守恒定律”的实验中,下列物理量需要用工具测量的有( C )。
设计实验方案
要验证物体的机械能是否守恒,可以比较物体在不同时刻的机械能是
否相等。阅读课本中“实验思路”部分,请同学们讨论后回答。
1.物体机械能守恒的条件是什么?有哪些常见的运动情形中的物体可以认为机
械能守恒?选择什么运动情形来进行实验比较方便?
解答:物体机械能守恒的条件是只有重力或弹力做功。常见的自由落体运动、平
解答:(1)只有重力做功,符合机械能守恒定律的条件。(2)空气阻力、纸带向下运
动的阻力等各种阻力作用。(3)用手提着纸带的末端。
2.研究沿光滑斜面下滑物体的机械能
(1)安装两个光电门时,让他们之间距离是大点还是小点?
(2)遮光条是宽点好,还是窄点好?
解答:(1)距离大点。(2)窄点好。
注意事项
1.研究自由下落物体的机械能
2
方法
1
2 1
2:用 m - m 2 =mgΔh 验证时,任取两点计算。
2
2
方法 3:图像法。从纸带上选取多个点,测量从第一点到其余各点的下落高度 h,并计算
1
各点速度的二次方 v2,绘出 v2-h 图线分析。在误差允许的范围内图线应是一条过原点且
2
斜率为 g 的直线。
3.有哪些常见的测量速度的方法?
在实验操作中存在的两处明显错误或不当的地方:
① 打点计时器接了直流电源
;
② 重物离打点计时器太远
。
(3)该实验中得到一条纸带,且测得每两个计数点间的距离如图 3 所示。已
知相邻两个计数点之间的时间间隔 T=0.1 s。则物体运动的加速度
乙 (选填“甲”或“乙”)实验方案得到的。
a= 4.8 m/s2 ;该纸带是采用
1
(2 2 -1 2 )
2
过计算比较
与 gΔh 在误差允许的范围内是否相等。
3.实验器材:如果采用研究自由下落物体的机械能的方案,需要 铁架台 、打
点计时器、纸带、电源及导线、带纸带夹子的重物、 刻度尺 等器材;如果采用研
究沿着倾斜的气垫导轨下滑的物体机械能的方案,需要气垫导轨、 光电计时器 、
A.重物的质量
B.重力加速度
C.重物下落的高度
D.与重物下落高度对应的重物的瞬时速度
2.(任务 2)图示是用自由落体法验证机械能守恒定律时得到的一条纸带,我们选 N 点
来验证机械能守恒定律。下面举出一些计算打 N 点时纸带下落速度的方法,其中正
确的是(T 为打点周期)( C )。
A.N 点是第 n 个点,则 vN=gnT
变化,从而验证机械能守恒定律。
问题 1:实验目的是什么?
解答:验证只有重力做功时,物体的机械能守恒。
问题 2:常见的只有重力做功的情形有哪些?
解答:自由落体运动,平抛运动,竖直上抛运动,斜抛运动,单摆摆动,沿着光滑轨道
下滑。
问题 3:需要测量哪些物理量?
解答:物体初、末位置的高度差及初、末位置的速度大小。
B.N 点是第 n 个点,则 vN=g(n-1)T
C.vN=
+ +1
D.vN=
2
+1 + -1
2
3.(任务 2)(多选)下列关于“验证机械能守恒定律”实验的实验误差的说法中正确的是
( BD )。
A.重物质量的称量不准会造成较大误差
B.选用质量大些的重物,有利于减小误差
真严谨的科学精神
学法建议
课标要求 素养高相关
阅读课本,创设机械能
守恒情景,结合打点计
科学探究—问
会
时器、光电计时器测
题
量速度
阅读课本,实验操作,
数据处理
实验操作
会
科学探究—证
据、解释
理解
科学态度与责
任—科学态度
导入新课
上节课我们从理论上学习了机械能守恒定律,从定律内容及守恒条件上初步理
解了机械能守恒定律,这一节将通过实验来研究物体自由下落过程中动能与势能的
刻度尺 等器材。
结合课本的两个“参考案例”,请同学们设计一种合理可行的实验方案。
实验操作及误差分析
实验前回答下列问题。
1.研究自由下落的物体的机械能
(1)物体做自由落体运动时有哪些力做功?符合机械能守恒定律的条件吗?
(2)以物体自由下落的过程验证机械能守恒定律,实验中要尽量减少哪些力的作
用?
(3)实验时,在重物开始下落前,是用手托住重物还是用手提着纸带的末端?
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 m,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 h,实验记录轻绳拉力大小随时间的变化如图 2 所示,
其中 Fm 是实验中测得的最大拉力值,重力加速度为 g,请回答以下问题:
(1)小球第一次运动至最低点的过程,重力势能的减少量
C.选用质量小些的重物,有利于减小误差
D.验证起始点与其后任意点的机械能守恒时,若纸带下落比打点早,会造成较大误差
4.(任务 1、2)“验证机械能守恒定律”的实验装置可以采用如图 1 所示的甲
或乙方案来进行。
(1)比较这两种方案, 甲 (选填“甲”或“乙”)方案好些。
(2)该同学开始实验时情形如图 2 所示,接通电源释放纸带。请指出该同学
(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)交流电的周期不稳定造成打点时间间隔变化而产生误差。
1.分组实验
2.数据记录与处理
案例 1 数据记录表格:
计数点
h/m
gh/(m2·s-2)
v/(m·s-1)
①重力
②打点计时器
③重力势能
④动能
(1)安装打点计时器时,用重垂线来检测装置是否 竖直 。
(2)释放纸带前应该让其保持 竖直 。
(3)为了减小误差,重物应该选择 密度较大 的材料。
(4)要选择前两点距离约为 2 mm 的纸带以保证其初速度 为零
。
(5)不能用 v= 2ℎ来计算速度。读数不准造成误差。
2022
人教版必修第二册
❺
实验:验证机械能守恒定律
序号
知能目标
1
理解验证机械能守恒定律的原
理。会设计实验方案,确定需要测
量的物理量
2
3
能够控制实验条件,正确进行实验
操作,获取物体下落的高度和速度
大小的数据,会分析动能的增加量
小于重力势能的减少量的原因,能
采取相应的措施减小实验误差
树立实事求是的科学态度,培养认
抛运动、竖直上抛运动、斜抛运动、沿着光滑斜面滑动的运动等,参与这些运动的物
体都可以认为其机械能守恒,利用自由落体运动、平抛运动及沿着光滑斜面滑动等来
进行实验都比较方便。
2.让物体自由下落,在忽略阻力的情况下,验证物体的机械能守恒,怎样处理实验数据?
1
解答:方法 1:用 mv2=mgh 验证时,利用起始点和第 n 点计算。
解答:可以用打点计时器打出的纸带或者光电计时器测量速度,也可以
用频闪照相法来测量速度。
4.研究自由下落物体的机械能是否守恒需要哪些器材?研究沿着倾斜的
气垫导轨下滑的物体机械能是否守恒需要哪些器材?
解答:研究自由下落物体的机械能是否守恒时需要铁架台、打点计时
器、纸带、电源及导线、带夹子的重物、刻度尺等器材;研究沿着倾斜的
1 2
v /(m2·s-2)
2
1
2
3
4
5
6
案例 2 数据记录表格:
实验次数
ΔL/m
Δh/m
Δt1/s
Δt2/s
gΔh/(m2·s-2)
1
2 1
v2 - v1 2 /(m2·s-2)
2
2
3.得出实验结论。
1 2 3 4 5 6
实验创新
为了验证小球在竖直平面内摆动过程的机械能是否守恒,利用如图 1 所示的装置,
气垫导轨下滑的物体机械能是否守恒时需要气垫导轨、光电计时器、刻度
尺等器材。
1.实验思路:利用物体做自由落体运动、平抛运动或者沿着倾斜的 气垫 导
轨运动,验证机械能守恒定律。
2.实验原理:利用打点计时器打出的纸带上记录的数据或者光电计时器记录的
数据,计算物体在初、末位置的 速度v1、v2
和初、末位置的高度差 Δh,再通