高三物理一轮复习实验专题(6)验证机械能守恒定律导学案 新人教版

图1 图2

实验六 验证机械能守恒定律

一、实验目的

通过实验验证机械能守恒定律．

二、实验原理

如图1所示，质量为m 的物体从O 点自由下落，以地面作为零重力势能面，

如果忽略空气阻力，下落过程中任意两点A 和B 的机械能守恒

即12mv 2A ＋mgh A ＝12

mv 2B ＋mgh B 上式亦可写成12mv 2B －12

mv 2A ＝mgh A －mgh B . 等式说明，物体重力势能的减少等于动能的增加．为了方便，可以直接 从开始下落的O 点至任意一点(如图1中A 点)来进行研究，这时应有：12

mv 2A ＝mgh ，即为本

实验要验证的表达式，式中h 是物体从O 点下落至A 点的高度，v A 是物体在A 点的瞬时速度．

三、实验器材

打点计时器，低压交流电源，带有铁夹的铁架台，纸带，复写纸，带夹子的重物，刻度尺，导线两根．

四、实验步骤

1．安装置：按图2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．

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：分两种情况说明 (1)用12

mv 2n ＝mgh n 验证时，应选点迹清晰，且1、2两点间距离略小于或接近2 mm 的纸带． (2)用12mv 2B －12

mv 2A ＝mg Δh 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，只要后面的点迹清晰就可选用．

五、数据处理

方法一：利用起始点和第n 点计算

代入mgh n 和12mv 2n ，如果在实验误差允许的条件下，mgh n 和12

mv 2n 相等，则验证了机械能守恒定律．

方法二：任取两点计算

(1)任取两点A 、B 测出h AB ，算出mgh AB .

(2)算出12mv 2B －12

mv 2A 的值． (3)在实验误差允许的条件下，若mgh AB ＝12mv 2B －12

mv 2A ，则验证了机械能守恒定律． 方法三：图象法

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 ，并计算各点速度的平方v 2

，

然后以12v 2为纵轴，以h 为横轴，根据实验数据作出12

v 2－h 图线．若在误差允许的范围内图线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．

六、误差分析

1．本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(如空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量ΔE k 稍小于重力势能的减少量ΔE p ，即ΔE k <ΔE p ，这属于系统误差．改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力．

2．本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差．减小误差的办法是测下落距离时都从0点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值来减小误差．

七、注意事项

1．打点计时器要稳定的固定在铁架台上，打点计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，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，可使空气阻力减小．

3．实验中，需保持提纸带的手不动，且保证纸带竖直，待接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带．

4．测下落高度时，要从第一个打点测起，并且各点对应的下落高度要一次测量完．

5．速度不能用v n ＝gt n 或v n ＝2gh n 计算，因为只要认为加速度为g ，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用v n ＝gt n 计算出的速度比实际值大，会得出机械能增加的结论，而因为摩擦阻力的影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算．同样的道理，重物下落的高度h ，也只能用刻度尺直接测量，

而不能用h n ＝12gt 2n 或h n ＝v 2n 2g

计算得到． 记忆口诀

自由落体验守恒，阻力减小机械能.

仪器固定竖直向，先开电源物后放.

开头两点两毫米，从头验证式容易.

不管开头看清晰，任取两点就可以.

图象验证也很好，关键记住两坐标.

例1 某实验小组在做“验证机械能守恒定律”实验中，提出了如图3所示的甲、乙两种方案：甲方案为用自由落体运动进行实验，乙方案为用小车在斜面上下滑进行实验．

图3

(1)组内同学对两种方案进行了深入的讨论分析，最终确定了一个大家认为误差相对较小的方案，你认为该小组选择的方案是__________，理由是_______________________________.

(2)若该小组采用图甲的装置打出了一条纸带如图4所示，相邻两点之间的时间间隔为0.02 s，请根据纸带计算出B点的速度大小为________m/s.(结果保留三位有效数字)

图4

(3)该小组内同学根据纸带算出了相应点的速度，作出v2－h图线如图5所示，请根据图

线计算出当地的重力加速度g＝________m/s2.(结果保留两位有效数字)

图5

17.力学设计性实验的处理方法

例2 为了测定木块与木板之间的动摩擦因数，利用现有的器材：木板、木块、弹簧测力计、刻度尺、秒表、砂桶与砂．如图6所示，有人设计了下面三种实验方案：(1)设法使木板静止，增减右面砂桶内的砂，使木块在木板上匀速运动，并测出木块、砂与砂桶的重力；

(2)用手拉弹簧测力计保持其静止、水平，然后用力F拉木板向左运动，并读出弹簧测力