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(共57張PPT)
第八章　機(jī)械能守恒定律
5.實驗：驗證機(jī)械能守恒定律
目標(biāo)導(dǎo)航：1.能制定驗證機(jī)械能守恒定律的實驗方案，確定需要測量的物理量，學(xué)會 正確使用實驗器材獲取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出結(jié)論，與同學(xué)討論并分析誤差及 產(chǎn)生的原因，并能用物理語言準(zhǔn)確描述實驗結(jié)論.（科學(xué)探究） 2.通過實驗驗證，樹 立“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”的科學(xué)觀.（科學(xué)態(tài)度與責(zé)任）
第*頁
研習(xí)任務(wù)一
知識　梳理
一、實驗?zāi)康?br/>1. 會用打點計時器打下的紙帶計算物體的運動速度和位移.
2. 探究自由落體運動物體的機(jī)械能守恒.
二、實驗器材
鐵架臺（含鐵夾）、打點計時器、紙帶、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、重物（帶紙帶 夾）.
四、數(shù)據(jù)測量
1. 安裝置：按圖所示將檢查、調(diào)整好的打點計時器豎直固定在鐵架臺上，接好電路.
五、數(shù)據(jù)分析
方案二：任取兩點計算.
（1）任取兩點A、B測出hAB，算出ghAB.
六、誤差分析
1. 系統(tǒng)誤差：本實驗中因重物和紙帶在下落過程中要克服各種阻力（空氣阻 力、打點計時器阻力）做功，故動能的增加量ΔEk稍小于重力勢能的減少量 ΔEp，即ΔEk＜ΔEp.改進(jìn)的辦法是調(diào)整器材的安裝，重物選用質(zhì)量大體積小的物 體，盡可能減小阻力.
2. 偶然誤差：本實驗在長度測量時產(chǎn)生的誤差.減小誤差的辦法是測下落距離時都從 0點量起，一次將各點對應(yīng)的下落高度測量完，或者多次測量取平均值來減小誤差.
七、注意事項
1. 打點計時器要穩(wěn)定地固定在鐵架臺上，兩紙帶限位孔調(diào)整到同一豎直平面內(nèi)，以 減小摩擦阻力.
2. 重物要選用密度大、體積小的物體，這樣可以減小空氣阻力的影響，從而減小實 驗誤差.
3. 實驗中，須保持提紙帶的手不動，且保證紙帶豎直，待接通電源，打點計時器工 作穩(wěn)定后，再松開紙帶.
4. 測量下落高度時，為了減小測量值h的相對誤差，選取的各個計數(shù)點要離起始點遠(yuǎn) 一些，紙帶也不宜過長，有效長度可在60～80 cm之間.
研習(xí)　經(jīng)典
[典例1]　（2021·浙江6月選考）在“驗證機(jī)械能守恒定律”實驗中，小王用如圖1所 示的裝置，讓重物從靜止開始下落，打出一條清晰的紙帶，其中的一部分如圖2所 示.O點是打下的第一個點，A、B、C和D為另外4個連續(xù)打下的點.
圖1
圖2
（1）為了減小實驗誤差，對體積和形狀
相同的重物，實驗時選擇密度大的，理由 是 .
使阻力與重力之比更小，減小實驗的相對誤差
[解析]　對體積和形狀相同的重物，密度大的質(zhì)量大，重力大，重物運動過程所受阻力與重力之比就更小，實驗的相對誤差就更小.
A. 工作電壓偏高
B. 存在空氣阻力和摩擦力
C. 接通電源前釋放了紙帶
0.547（0.542～0.550
均正確）
0.582（0.570～0.590均正確）
C
圖2
由實驗結(jié)果可知：EkC大于｜ΔEp｜，
打點計時器的工作電壓偏高，并不會影響重物與紙帶的受力與運動，對實驗結(jié)果無影 響，故A錯誤；重物與紙帶下落過程中受到空氣阻力和摩擦力，會使機(jī)械能發(fā)生損 失，結(jié)果是減少的重力勢能應(yīng)大于增加的動能，與實驗結(jié)果不符，故B錯誤；接通電 源前釋放了紙帶，會使打下第一個點時重物已經(jīng)具有了速度，即重物的初速度大于 零，則使末動能偏大，符合實驗結(jié)果，故C正確.
[訓(xùn)練1]　（2024·湖南長沙長郡中學(xué)期中改編）某同學(xué)用如圖所示的實驗裝置驗證“機(jī)械能守恒定律”.實驗所用的電源為學(xué)生電源，可以提供輸出電壓為8 V的交變電流和直流電，交變電流的頻率為50 Hz.重物從高處由靜止開始下落，打點計時器在紙帶上打出一系列的點，對紙帶上的點測量并分析，即可驗證機(jī)械能守恒定律.
（1）關(guān)于上述實驗，下列說法正確的是 .
A. 重物最好選擇密度較小的木塊
B. 實驗中應(yīng)先接通電源，后釋放紙帶
解析：要使重物做自由落體運動，需盡量減小空氣阻力的影響，則重物要選體積小、 密度大的物體，故A錯誤；實驗時應(yīng)先接通電源，后釋放紙帶，B正確.
B　
（2）為了完成實驗，除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺（含鐵夾）、學(xué)生電源、打點 計時器、導(dǎo)線及開關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的器材是 .
A. 刻度尺
B. 天平（含砝碼）
C. 停表
A　
（3）實驗時該同學(xué)進(jìn)行了下面幾個操作步驟：
A. 按照圖示裝置安裝器材；
B. 將打點計時器接到電源的“直流輸出”上；
C. 用天平測出重物的質(zhì)量；
D. 先接通電源，后釋放紙帶，打出一條紙帶；
E. 測量紙帶上某些點間的距離；
F. 根據(jù)測量的結(jié)果計算重物下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能.
其中沒有必要進(jìn)行的步驟是 ，操作不當(dāng)?shù)牟襟E是 .（均填步驟前的 選項字母）
解析：由前面的分析可知，要驗證機(jī)械能守恒定律，不需要測量物體的質(zhì)量，故沒有 必要的步驟是C. 打點計時器接在交流電源上才能正常使用，故操作不當(dāng)?shù)牟襟E是B.
C　
B　
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研習(xí)任務(wù)二
研習(xí)　經(jīng)典
[典例2]　（2022·湖北高考）某同學(xué)設(shè)計了一個用拉力傳感器驗證機(jī)械能守恒定律的 實驗.一根輕繩一端連接固定的拉力傳感器，另一端連接小鋼球，如圖甲所示.拉起小 鋼球至某一位置由靜止釋放，使小鋼球在豎直平面內(nèi)擺動，記錄鋼球擺動過程中拉力 傳感器示數(shù)的最大值Tmax和最小值Tmin.改變小鋼球的初始釋放位置，重復(fù)上述過程. 根據(jù)測量數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)系中繪制的Tmax－Tmin圖像是一條直線，如圖乙所示.
（1）若小鋼球擺動過程中機(jī)械能守恒，則圖乙中直線斜率的理論值為 .
－2　
（2）由圖乙得：直線的斜率為 ，小鋼球的重力為 N. （結(jié)果均保 留2位有效數(shù)字）
－2.1　
0.59　
（3）該實驗系統(tǒng)誤差的主要來源是 （單選，填正確答案標(biāo)號）.
A. 小鋼球擺動角度偏大
B. 小鋼球初始釋放位置不同
C. 小鋼球擺動過程中有空氣阻力
[解析]小鋼球擺動過程中克服空氣阻力做功，使一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故選C.
C　
（3）該實驗系統(tǒng)誤差的主要來源是 （單選，填正確答案標(biāo)號）.
A. 小鋼球擺動角度偏大
B. 小鋼球初始釋放位置不同
C. 小鋼球擺動過程中有空氣阻力
[解析]小鋼球擺動過程中克服空氣阻力做功，使一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故選C.
C　
[訓(xùn)練2]　某同學(xué)用圖甲所示的實驗裝置驗證機(jī)械能守恒定律，其中打點計時器 的電源為交流電源，可以使用的頻率有20 Hz、30 Hz和 40 Hz.打出紙帶的一部 分如圖乙所示.該同學(xué)在實驗中沒有記錄交流電的頻率f，需要用實驗數(shù)據(jù)和其他 題給條件進(jìn)行推算.
甲　　 　　　　　乙

　　　　　乙
（2）已測得s1＝8.89 cm，s2＝9.50 cm，s3＝10.12 cm；當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮?.80 m/s2，實驗中重物受到的平均阻力大小約為其重力的1％.由此推算出f為 Hz.
40
甲　　 　　　　　乙
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課堂強(qiáng)研習(xí) 合作學(xué)習(xí) 精研重難
課后提素養(yǎng)
A. 選用的重物質(zhì)量過大
B. 選用的重物質(zhì)量過小
C. 空氣對重物的阻力和打點計時器對紙帶的阻力
D. 實驗時操作不規(guī)范，實驗數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確
解析：造成題中所述現(xiàn)象的主要原因是來自各方面的阻力，選項C正確.
C
2. （2023·鄭州高一檢測）如圖甲所示是利用重物自由下落“驗證機(jī)械能守恒定律” 的實驗裝置.
（1）在“驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗中，沒有必要進(jìn)行的操作是 .
A. 用天平測重物的質(zhì)量
B. 用秒表測重物下落的時間
C. 用打點計時器記錄重物下落的信息
D. 用紙帶記錄的點來測量重物下落的高度
AB　
（2）該實驗所用打點計時器的電源頻率為50 Hz，如圖乙所示，A、B、C為紙帶中選 取的三個計數(shù)點，每兩個計數(shù)點之間還有4個點未畫出，則每兩個計數(shù)點之間的時間 間隔T＝ s，打點計時器在打下計數(shù)點B時，物體的下落速度為vB ＝ m/s.（小數(shù)點后保留2位有效數(shù)字）
0.1　
2.36　
（3）由于該實驗中存在阻力做功，所以實驗測得的重物的重力勢能的減少量 （填“＜”“＞”或“＝”）動能的增加量.
解析：由于紙帶和重物都受到阻力作用，重力勢能有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以重力勢 能的減少量大于動能的增加量.
＞　
3. （2024·山東青島十七中期末改編）某同學(xué)利用如圖所示的氣墊導(dǎo)軌裝置驗證系統(tǒng) 機(jī)械能守恒，在氣墊導(dǎo)軌上安裝了兩個光電門1、2，滑塊上固定一遮光條，滑塊用細(xì) 線繞過定滑輪與鉤碼相連.
（1）實驗時要調(diào)整氣墊導(dǎo)軌水平，不掛鉤碼和細(xì)線，接通氣源，輕推滑塊，從軌道 右端向左運動的過程中，發(fā)現(xiàn)遮光條通過光電門2的時間大于通過光電門1的時間.以 下能夠達(dá)到調(diào)整氣墊導(dǎo)軌水平的措施是 （選填相應(yīng)選項前的符號）.
A. 調(diào)節(jié)旋鈕P使軌道左端升高一些
B. 遮光條的寬度增大一些
C. 滑塊的質(zhì)量增大一些
D. 氣源的供氣量增大一些
解析：遮光條通過光電門1的時間小于通過光電門2的時間.滑塊做加速運動，也就是 導(dǎo)軌左端低，右端高.能夠達(dá)到調(diào)整氣墊導(dǎo)軌水平的措施是調(diào)節(jié)旋鈕P使軌道左端升高 一些，故選A.
A　

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課時作業(yè)（二十）實驗:驗證機(jī)械能守恒定律
[基礎(chǔ)訓(xùn)練]
1. 在“驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗中：
（1）實驗的研究對象是 （填“紙帶”或“重物”）.
解析：驗證機(jī)械能守恒定律的研究對象是重物.
（2）供選擇的重物有以下四個，應(yīng)選擇 .
A. 質(zhì)量為100 g的鉤碼 B. 質(zhì)量為10 g的砝碼
C. 質(zhì)量為200 g的木球 D. 質(zhì)量為10 g的塑料球
解析：為減小實驗誤差，應(yīng)選擇體積小而質(zhì)量大的重物，故選A.
重物　
A
1
2
3
4
5
6
7
解析：電磁打點計時器使用4～6 V的低壓交流電源，故C正確，A、B、D錯誤.
（3）給打點計時器提供的電源如下，應(yīng)選擇 .
A. 4節(jié)干電池 B. 3節(jié)蓄電池
C. 學(xué)生電源4～6 V，交流輸出
D. 學(xué)生電源4～6 V，直流輸出
C
1
2
3
4
5
6
7
2. “驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗裝置可以采用圖示的甲方案來進(jìn)行.
（1）該同學(xué)開始實驗時情形如圖乙所示，接通電源釋放紙帶.
請指出該同學(xué)在實驗中存在的兩處明顯錯誤或不當(dāng)?shù)牡胤剑?br/>① ；
打點計時器接了直流電源
② .
重物離打點計時器太遠(yuǎn)了
解析：打點計時器不能使用直流電源，應(yīng)使用交流電源.
重物開始釋放時應(yīng)緊靠打點計時器.
1
2
3
4
5
6
7
（2）某同學(xué)通過該實驗方案驗證機(jī)械能守恒，已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭＝9.80 m/s2.實 驗選用重錘質(zhì)量為0.5 kg，紙帶上連續(xù)的點A、B、C、D至O點的距離如圖丙所示（O 點為開始下落點），則重錘從O運動到C，重力勢能減少 J，重錘經(jīng)過C時， 其動能增加 J. （結(jié)果均保留2位小數(shù)）
2.75　
2.72　
1
2
3
4
5
6
7
3. （2024·重慶西南大學(xué)附中期中）用如圖所示的裝置測量輕彈簧壓縮時的彈性勢能. 將彈簧放置在光滑水平桌面上，左端固定，彈簧自然伸長時右端恰好處于桌面右邊緣 P點，水平地面上的O點位于P點正下方，用一小球從彈簧的右端將彈簧壓縮至圖示位 置，彈簧具有彈性勢能Ep.現(xiàn)將小球從靜止釋放，記錄小球在水平地面上的落點Q， 用刻度尺測出O、P間的高度h和O、Q間的距離L. 已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間.
（1）小球離開桌面右邊緣P點時的瞬時速度大小vP＝ .
（用題給物理量符號表示）.
1
2
3
4
5
6
7
（2）為了測量輕彈簧的彈性勢能Ep，還需要測量的物理量是 .
A. 小球的質(zhì)量m
B. 小球的直徑d
C. 小球從P點到Q點的運動時間t
D. 彈簧的形變量x
解析：輕彈簧的彈性勢能Ep全部轉(zhuǎn)化為小球在P點的動能，為了測量輕彈簧的彈性勢 能Ep，還需要測量的物理量是小球的質(zhì)量m，故A正確.
A　
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3
4
5
6
7
4. 某同學(xué)做驗證機(jī)械能守恒定律的實驗時，不慎將一條挑選出的紙帶的一部分損 壞，損壞的是前端部分.剩下的一段紙帶上各相鄰點間的距離已測出標(biāo)在圖中，單位 是cm.打點計時器工作頻率為50 Hz，重力加速度取g＝9.8 m/s2.
（1）重物（質(zhì)量為m）在2點的速度v2＝ ，在5點的速度v5＝ ，此過程中動能增加量ΔEk＝ ，重力勢能減少量ΔEp＝ .由以上可
得出實驗結(jié)論： .
1.50 m/s　
2.075
m/s　
1.03m J　
1.06m J　
在誤差允許的范圍內(nèi)，機(jī)械能守恒
1
2
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4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
（2）根據(jù)實驗判斷下列圖像正確的是 .（其中ΔEk表示重物動能的變化量，Δh 表示重物下落的高度）
C　
解析：重物機(jī)械能守恒，應(yīng)有重物減少的重力勢能轉(zhuǎn)化為增加的動能，即ΔEk＝mgΔh，可見重物增加的動能與下落的距離成正比，選項C正確.
1
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5
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7
[能力提升]
5. 某實驗小組利用如圖所示的實驗裝置來驗證鉤碼和滑塊所組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒.
（1）實驗前需要調(diào)整氣墊導(dǎo)軌底座使之水平，利用現(xiàn)有器材如何判斷導(dǎo)軌是否水 平？ .
解析：氣源工作后，滑塊不掛鉤碼，靜止放在氣墊導(dǎo)軌上，如果能處于靜止?fàn)顟B(tài)說明 氣墊導(dǎo)軌水平.
見解析
1
2
3
4
5
6
7
0.25　
滑塊的質(zhì)量
M　
滑塊到光電門的距離L　
1
2
3
4
5
6
7
mgL　
1
2
3
4
5
6
7
6. （2024·山東濱州期中）用如圖甲所示的實驗裝置驗證“A、B組成的系統(tǒng)機(jī) 械能守恒”.實驗時B從高處由靜止開始下落，A拖著的紙帶上打出一系列的點， 對紙帶上的點跡進(jìn)行測量，即可驗證機(jī)械能守恒定律.實驗中獲取的一條紙帶如 圖乙所示，0是打下的第一個點，每相鄰兩計數(shù)點間還有4個打下的點（圖中未 標(biāo)出，打點頻率為50 Hz）.已知A、B的質(zhì)量分別為m1＝50 g、m2＝150 g，（所 有結(jié)果均保留3位有效數(shù)字）
1
2
3
4
5
6
7
（1）在紙帶上打下計數(shù)點5時A、B的速度大小v5＝ m/s.
2.40　
1
2
3
4
5
6
7
0.576　
0.588　
在誤差允許的范圍內(nèi)，A、B組成的
系統(tǒng)機(jī)械能守恒　
1
2
3
4
5
6
7
9.70　
1
2
3
4
5
6
7
7. （2024·上海黃浦期中）“用DIS驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗裝置如圖1所示.
圖1
（1）本實驗利用 傳感器測量擺錘釋放后經(jīng)過各個點的速度，結(jié)合各擋光片 相對軌道最低點的 和擺錘質(zhì)量，可以分析擺錘運動過程中機(jī)械能的變化.
解析：本實驗利用光電傳感器測量擺錘釋放后經(jīng)過各個點的速度，結(jié)合各擋光片相對 軌道最低點的高度和擺錘質(zhì)量，可以分析擺錘運動過程中機(jī)械能的變化.
光電　
高度　
1
2
3
4
5
6
7
（2）將擺錘由A點靜止釋放，在擺錘擺到最低點的過程中 .
A. 連接桿拉力不做功，合外力不做功
B. 連接桿拉力不做功，合外力做正功
C. 連接桿拉力做正功，合外力不做功
D. 連接桿拉力做正功，合外力做正功
解析：將擺錘由A點靜止釋放，在擺錘擺到最低點的過程中，連接桿拉力方向始終垂直于擺錘的速度方向，所以不做功，而擺錘的動能增大，合外力做正功，故選B.
B　
圖1
1
2
3
4
5
6
7
（3）根據(jù)實驗結(jié)果繪制圖像如圖2所示，圖像的橫軸表示擺錘距離最低點的高度，縱 軸表示小球的重力勢能、動能或機(jī)械能.其中擺錘的重力勢能、動能對應(yīng)的圖線分別 是 和 .（選填“甲”“乙”或“丙”）
圖2
乙　
丙　
解析：擺錘的重力勢能隨h的增大而增大，動能隨h的增大而減小，所以其中擺錘的重 力勢能、動能對應(yīng)的圖線分別是乙和丙.
1
2
3
4
5
6
7
（4）根據(jù)實驗圖像，可以得出的結(jié)論是 .
解析：圖2中甲圖線表示擺錘運動過程中的機(jī)械能的變化情況，在實驗誤差允許的情 況下圖線甲平行于h軸，由此可以得出的結(jié)論是擺錘運動過程中機(jī)械能守恒.
擺錘運動過程中機(jī)械能守恒
圖2
1
2
3
4
5
6
7

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