資源簡介

(共37張PPT)
實驗五
驗證機械能守恒定律
1.實驗目的
驗證機械能守恒定律.
2.實驗原理
3.實驗器材
鐵架臺(含鐵夾)、打點計時器、學生電源、紙帶、復寫紙、
導線、毫米刻度尺、重物(帶紙帶夾)等.
4.實驗步驟
(1)儀器安裝：將檢查、調整好的打點計時器按如圖所示裝置
豎直固定在鐵架臺上，接好電路.
(2)打紙帶：將紙帶的一端用夾子固定在重物上，另一端穿過
打點計時器的限位孔，用手提著紙帶使重物靜止在靠近打點計時
器的地方.先接通電源，后松開紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落.
更換紙帶，重復做 3～5 次實驗.
5.數據處理
6.誤差分析
(1)系統誤差：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，故重物動能的增加量ΔEk稍小于其重力勢能的減少量ΔEp，即ΔEk<ΔEp，這屬于系統誤差，改進的方法是調整器材的安裝，盡可能地減小阻力.
(2)偶然誤差：本實驗的另一個誤差來源于長度的測量，屬于偶然誤差.減小誤差的方法是測下落距離時都從O點測量時，一次將各打點對應的下落高度測量完，或者多次測量取平均值.
7.注意事項
(1)應盡可能控制實驗條件，即應滿足機械能守恒的條件，這就要求盡量減小各種阻力的影響，采取的措施有：
①安裝打點計時器時，必須使兩個限位孔的中線嚴格豎直，以減小摩擦阻力；
②應選用質量和密度較大的重物，增大其重力可使阻力的影響相對減小，增大其密度可以減小體積，可使空氣阻力減小.
(4)測量下落高度時，為了減小測量值 h 的相對誤差，選取的
各個計數點要離起始點遠一些，紙帶也不宜過長，有效長度可在
60～80 cm 之間.
守恒定律驗證機械能守恒定律.
考點 1 基本實驗原理與實驗操作的考查
【典題1】(2024 年浙江卷)在“驗證機械能守恒定律”的實驗中.
(1)下列操作正確的是________(填字母).
A
B
C
(2)實驗獲得一條紙帶，截取點跡清晰的一段并測得數據如圖
所示.已知打點的頻率為 50 Hz，則打點“13”時，重錘下落的速
度大小為________m/s(結果保留三位有效數字).
(3)某同學用紙帶的數據求出重力加速度g＝9.77 m/s2，并用此
g 值計算得出打點“1”到“13”過程重錘的重力勢能減小值為 5.09m，
另計算得動能增加值為 5.08m(m為重錘質量)，則該結果______(填
“能”或“不能”)驗證機械能守恒定律，理由是_______(填字母).
A.在誤差允許范圍內
B.沒有用當地的重力加速度 g
解析：(1)應手提紙帶上端使紙帶豎直，同時使重物靠近打點
計時器，由靜止釋放，B 正確.(2)根據勻變速直線運動中間時刻
的瞬時速度等于該過程平均速度可得打點“13”時，重錘下落的速
據求出重力加速度 g＝9.77 m/s2，并用此 g 值計算得出打點“1”
到“13”過程重錘的重力勢能減小值為 5.09m，另計算得動能增加
值為 5.08m(m 為重錘質量)，則該結果不能驗證機械能守恒定律，
理由是：該同學求出的 9.77 m/s2 是重錘受到空氣阻力時做勻加速
運動的加速度 a＝9.77 m/s2，不是當地的重力加速度，5.09m也不
是重力勢能的減少量.沒有當地的重力加速度的數值，無法求出重
力勢能的減少量，所以無法驗證機械能守恒定律，B 正確.
答案：(1)B (2)3.34 (3)不能　B
考點 2 數據處理與誤差分析
【典題 2】如圖甲所示，在固定在天花板上的定滑輪兩邊分
別掛上用輕繩連接的質量為 m、M 的 A、B 兩物體，用該實驗裝
置來驗證機械能守恒定律.在物體 B 從高處由靜止開始下落時物體
A 下方拖著紙帶打出一系列的點，對紙帶上的點跡進行測量，
即可驗證機械能守恒定律.如圖乙給出的是實驗中獲取的一條紙
帶，0 是打下的第一個點，每相鄰兩計數點間還有 4 個點未標出，
計數點間的距離已在圖中標出.已知 m＝40 g，M＝100 g，打點頻
率為 50 Hz，重力加速度 g 取 10 m/s2.(結果保留 2 位有效數字)
甲
乙
(1)兩個物體運動的加速度為 a＝______m/s2.
(2)在紙帶上打下計數點 5 時的速度 v5＝________m/s.
(3)在打點 0～5 過程中系統動能的增量ΔEk＝________J，系統
勢能的減少量ΔEp＝________J，由此得出的結論是_____________
_______________________________________________________.
答案：(1)4.0 (2)2.4 (3)0.40 0.42 在誤差允許的范圍內，
A、B 兩物體組成的系統機械能守恒
易錯提醒
本實驗可從多個角度進行創新：
實驗原理的創新
1.利用鋼球擺動來驗證機械能守恒定律.
2.利用光電門測定擺球的瞬時速度
(續表)
實驗原理的創新
1.利用機械能守恒定律求解彈簧彈性勢能.
2.由平拋運動測量球的初速度.
3.利用平拋位移s－彈簧壓縮量Δx圖線處理數據
(續表)
實驗過程的創新 　　
1.用光電門測定小球下落到B點的速度.
2.結合 H圖線判斷小球下落過程中機械能守恒.
3.分析實驗誤差ΔEp-ΔEk隨H變化的規律
考向 1 實驗方案的創新
【典題 3】(2023 年廣東廣州開學考)某研究性學習小組同學
設計了“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置，質量分別為 m1 和
m2的物塊 A、B，與動滑輪及定滑輪(兩滑輪均為輕質滑輪)用不
可伸長的輕質繩按如圖甲所示方式連接(繩豎直).物塊 B 從高處由
靜止開始下落，物塊 A 上拖著的紙帶打出一系列的點，對紙帶上
的點跡進行測量，即可驗證機械能守恒定律.圖乙所示是實驗中獲
取的一條紙帶，0 點是打下的第一個點，每相鄰兩個計數點之間還
有 3 個點(圖中未標出)，計數點間的距離如圖乙所示.(已知當地的
重力加速度大小為 g，打點計時器使用電源的頻率為 f)
甲
乙
(1)在紙帶上打下記數點 5 時物塊 A 的速度大小 v＝________
(用 x1、x2 和 f 表示).
(2)若將 A、B 兩物塊看作一個系統，則打下 0 點到打下 5 點
的過程中，系統減少的重力勢能為_________________________，
系統增加的動能為_______________________.(以上兩空均用題目
給出的物理量的字母表示)
(3)經過多次實驗發現 A、B 兩物塊組成的系統減少的重力勢
能ΔEp 與系統增加的動能ΔEk 并不相等，請從系統誤差的角度分析
二者不相等的可能原因是___________________________________
(寫出一條即可).
(3)因為系統機械能部分轉化為其他物體的動能或其他形式的
能量而損失掉.
考向 2 實驗器材的創新
【典題 4】(2023 年廣東汕頭二模)某研究小組利用 DIS 實驗
裝置驗證機械能守恒定律.如圖所示，內置有光電門的擺錘通過
輕桿與轉軸 O 相連，擺錘通過遮光片時可記錄遮光時間.實驗時，
擺錘從 M 點由靜止釋放，依次記錄其通過每個遮光片所對應的時
間 t.用刻度尺測出每個遮光片距最低點 N 的豎直高度為 h，擺錘質
量為 m，重力加速度為 g.
(1)實驗前，用游標卡尺測量遮光片的寬度 d，其示數如圖，
則 d＝______mm.
(2)若以最低點 N 為零勢能面，選用字母 m、h、d、t、g 表示
物理量，則經過某個遮光片時，擺錘的重力勢能 Ep＝_________，
動能 Ek＝____________ ；對比通過各遮光片處擺錘的機械能 E
(E＝Ep＋Ek)是否相等，可判斷機械能守恒與否.
(3)為了更直觀地處理數據，研究小組繪制了擺錘擺下過程中
動能、重力勢能和機械能隨高度變化的圖像如圖所示，仔細比
對數據發現，擺錘擺下過程中，重力勢能減少量__________(填
“大于”或“小于”)動能增加量.
解析：(1)由題(1)圖知，遮光片的寬度為 d＝8 mm＋0.1 mm×
7＝8.7 mm.
2t2
(3)由 Ep＝mgh 知，Ep-h 圖像是一條過原點的直線，可見重力
勢能的圖線應為 B，擺球擺下過程中，速度逐漸增大，其動能逐
漸增大，可見動能的圖線應為 C，則機械能的圖線應為 A.由圖知，
擺球擺下過程中，擺球的機械能逐漸減少，動能逐漸增加，重力
勢能逐漸減少，則擺球的重力勢能減少量大于動能增加量.
答案：(1)8.7 (2)mgh
md2
(3)大于

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