2019年高中物理第七章第9节实验：验证机械能守恒定律课件新人教版必修2

(2)打点计时器安装时，两限位孔必须在 同一竖直线上，这样才能使重物在自由下落 时，受到的阻力较小，开始记录时，应先给 打点计时器通电打点，然后再释放纸带。
(3)产生系统误差的主要原因是纸带 通过打点计时器时受到摩擦阻力，导致重 物获得的动能小于它所减少的重力势能， 为减小误差，重物应选密度大一些的。
五、数据处理 1．求瞬时速度 标出所打的第一个点为 O，并从稍靠 后的某一点开始，依次标出 1、2、3、 4、……并测量出各点到位置 O 的距离 h1、 h2、h3、h4、……用公式 vn＝hn＋12－Thn－1计 算出各点对应的瞬时速度 v1、v2、v3、 v4、……
2．守恒验证 方法一：利用起始点计算 利用起始点和第 n 点计算。代入 ghn 和12v2，如果在实验误差允许的范围内， ghn＝12v2，则机械能守恒定律得到验证。
[典型例题] 例 2.(2016·泉州高一检测)在“验证机械能守恒定律”的实 验中，打点计时器所用电源频率为 50 Hz，当地重力加速度 的值为 9.80 m/s2，测得所用重物的质量为 1.0 kg。甲、乙、 丙三个同学分别用同一装置打出三条纸带，量出各纸带上第 1、2 两点间的距离分别为 0.18 cm、0.18 cm 和 0.25 cm，可 看出其中肯定有一个同学在操作上出现了问题，出现的问题 是_______________________________________________。
(3)ΔEp ＝ mghOB≈0.49
J
，
ΔEk
＝
1 2
mv
2 B
≈0.48 J。
(4)ΔEp>ΔEk，在实验中存在阻力，重物 的重力势能不能完全转化为动能。
(5)在实验误差允许的范围内，重物 的机械能守恒。
(6)若 f<50 Hz，则 vB 的计算值偏大， ΔEk 可能大于 ΔEp。
[答案] 先释放纸带后接通电源 (1) 左(2)0.98 m/s (3)0.49 J 0.48 J (4)>实 验中存在阻力，重物的重力势能不能完全 转化为动能 (5)在误差允许的范围内重 物的机械能守恒 (6)ΔEk 可能大于 ΔEp
[解析] 由于挡光条宽度很小，因此将挡 光条通过光电门时的平均速度当做瞬时速度， 挡光条的宽度 l 可用游标卡尺测量，挡光时间 Δt 可从数字计时器读出，因此，滑块通过光电门 的瞬时速度为Δlt，由于质量已用天平测出，所 以，滑块的动能就是已知数了。测出动能的增 加值，测出重力势能的减少值，如果两者在误 差允许范围内相等，就验证了机械能守两点 A、B 测出 hAB，求出 ghAB。 (2)求出 A、B 两点的瞬时速度，求出 12v2B－12v2A的值。 (3)如果在实验误差允许的范围内， ghAB＝12v2B－12v2A，则机械能守恒定律得到 验证。
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 v2，然后以12v2 为纵轴，以 h 为 横轴，根据实验数据绘出21v2-h 图线。
(2)打点计时器的安装放置要 _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ ____________；
[解析] 如果重物做自由落体运动， 第 1、2 两点间的距离应接近于 0.2 cm， 而丙同学的纸带上第 1、2 两点间的距离 远大于这个值，说明重物在打第 1 点时已 有速度，故丙同学在操作时出现的问题是 先释放纸带后接通电源。
(1)纸带左端相邻两点之间的距离小，故
纸带左端与重物相连。
(2)B 点对应的速度 vB＝x2ATC＝0.98 m/s。
(4)如果以v22为纵轴，以 h 为横轴，根据
实
验
数
据
绘
出
的
v2 2
-h
图线是
_____________________________________
___________________________________ ，
该线的斜率等于________________。
[解析] (1)选出的器材有：打点计时器 (包括纸带)、重物、毫米刻度尺，编号分别为 A、B、D，注意因 mgh＝12mv2，故 m 可消去， 不需要用天平。
[典型例题] 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所示。
(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；
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。
方案 2：测出物体下落高度 h 过程的 初、末时刻的速度 v1、v2，若关系式12mv22 －12mv21＝mgh 成立，则可验证物体的机 械能守恒。
三、实验器材 铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物 (带纸带夹子)、纸带(数条)、复写纸、导 线、毫米刻度尺、学生电源(交流 4～6 V)。
四、实验步骤 1．仪器安装 按图所示将检查、调整好的打点计时 器竖直固定在铁架台上，接好电路。
(4)描绘出来的v22-h 图线是一条通过 坐标原点的倾斜直线，它的斜率即为重力 加速度。
[答案] (1)ABD (2)两限位孔必须 在同一竖直线上 给打点计时器通电 释放纸带 (3)纸带通过打点计时器时有 摩擦阻力 小于所减小的重力势能 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
[答案] (1)③60.00(59.96～60.04 均
正确)
(2)①Δlt1
l Δt2
②21(M＋m)Δlt12
12(M＋m)Δlt22 ③mgs (3)Ek2－Ek1
1．[多选](2016·攀枝花月考)某同学 做“验证机械能守恒定律”的实验，下列 操作步骤中正确的是( )
2．打纸带和选纸带 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。
选纸带：分两种情况说明。 (1)用12mv2＝mgh 验证：这是以纸带 上第一点(起始点)为基准验证机械能守 恒定律的方法。由于第一点应是重物做自 由落体运动开始下落的点，所以应选取点 迹清晰且第 1、2 连续两点间的距离接近 2 mm 的纸带。
开始打点计时的时候，应先 _________________________________ _________________________________ ______，然后__________。
(3)实验中产生系统误差的原因主要是 _____________________________________ _____ ， 使 重 物 获 得 的 动 能 往 往 ______________________。为减小误差，悬 挂在纸带下的重物应选择 _____________________________________ ____________________________________。
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)用12mv2B－12mv2A＝mgΔh 验证机械 能守恒定律时，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，这 样纸带上打出的第 1、2 两点间的距离是 否为 2 mm 就无关紧要了，只要后面的点 迹清晰就可选用。
3．纸带处理 在起始点标上 0，在以后各点依次标 上 1、2、3、……用刻度尺测出对应的下 落高度 h1、h2、h3、……
若按实验要求正确地选出纸带如图 所示(相邻计数点的时间间隔为 0.02 s)， 那么：
(1) 纸 带 的 ________( 填 “ 左 ” 或 “右”)端与重物相连。
(2)打点计时器打下计数点 B 时，重 物的速度 vB＝________。
(3)从起点 O 到打下计数点 B 的过程中重物重 力势能的减少量 ΔEp＝________，此过程中重物 动能的增加量 ΔEk＝________。
2．应先接通电源让打点计时器开始 打点，再放开纸带让重物下落。
3．选取纸带的原则 (1)点迹清晰，实验时必须保持提起 的纸带竖直，手不动，待接通电源，让打 点计时器工作稳定后再松开纸带，以保证 第 1 个点是一个清晰的点。 (2)所打点呈一直线分布。
(3)第 1、2 两点间距接近 2 mm，这说 明打第 1 个点时重物的初速度近似为零， 即 h＝21gt2＝12×10×(0.02)2 m＝2 mm。
2．重物在拖着纸带下落的过程中必 然受到阻力作用，主要是打点计时器与纸 带间的摩擦力以及空气的阻力。克服这些 阻力做功要消耗能量，所以重物动能的增 加量 ΔEk 必定小于重力势能的减少量 ΔEp。这是实验设计上带来的系统误差。