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(共61張PPT)
第五章　機械能
實驗七　驗證機械能守恒定律
素養目標　1.熟悉“驗證機械能守恒定律”的基本實驗原理及注意事項. 2.會驗證創新實驗的機械能守恒.
一、教材原型實驗
一、教材原型實驗
圖1
圖2
mgh5
（2）利用計算機軟件對實驗數據進行處理，得到彈簧彈性勢能減少量、鉤碼的機械能增加量分別與鉤碼上升高度h的關系，如圖3所示.
圖3
鉤碼和紙帶
運動的速度逐漸增大，導致空氣阻力逐漸增大，以至于空氣阻力做的功也逐漸增大
解析：（2）鉤碼機械能的增加量，即鉤碼動能和重力勢能增加量的總和，若無阻力做功則彈簧彈性勢能的減少量等于鉤碼機械能的增加量.現在隨著h增加，兩條曲線在縱向的間隔逐漸變大，而兩條曲線在縱向的間隔即阻力做的功，則產生這個問題的主要原因是鉤碼和紙帶運動的速度逐漸增大，導致空氣阻力逐漸增大，以至于空氣阻力做的功也逐漸增大.
重力勢能減少量
刻度尺
接通電源
松開紙帶
4. 數據處理
（1）求瞬時速度
（2）驗證守恒
方案一：利用起始點和第n點計算
注意：應選取最初第1、2兩點距離接近2 mm的紙帶（電源頻率為50 Hz）.
方案二：任取兩點計算
①任取兩點A、B，測出hAB，算出mghAB.
方案三：圖像法
5. 注意事項
（2）重物應選用質量大、體積小、密度大的材料.
（3）應先接通電源，讓打點計時器正常工作，后松開紙帶讓重物下落.
（5）此實驗中不需要測量重物的質量.
摩擦阻力
例1　（2025·福建泉州質檢）某同學用如圖甲所示的裝置做“驗證機械能守恒定律”實驗，所用計時器為電火花打點計時器，重錘質量為500 g，部分實驗步驟如下：
A. 將打點計時器豎直固定在鐵架臺上如圖甲所示的位置
B. 先接通電源，后釋放重錘
C. 更換紙帶，再重復幾次，選擇合適的紙帶進行測量分析
A
解析：（1）將打點計時器固定在鐵架臺上后讓紙帶穿過限位孔，用夾子夾住紙帶，為了在實驗中獲取更多的數據點同時節約紙帶，重錘應靠近打點計時器，而圖中重錘離打點計時器過遠，故A錯誤；實驗過程中應先接通電源后釋放紙帶，故B正確；實驗中應更換紙帶，再重復幾次，選擇點跡清晰的合適的紙帶進行測量分析，故C正確.故選A.
1.00
1.07
不合理
訓練1　某同學利用如圖甲所示的裝置驗證機械能守恒定律，實驗中打出如圖乙所示的紙帶，已知打點計時器所用交流電源的頻率為50 Hz.
甲
A. 紙帶必須盡量保持沿豎直方向以減小摩擦阻力作用
B. 為了驗證機械能守恒定律，必須選擇紙帶上打出的第一個點作為起點
C. 將電磁打點計時器改成電火花計時器可以減小紙帶和打點計時器間的摩擦
D. 選擇較輕的物體作為重物時實驗效果更好
AC
解析：（1）實驗中應盡量保持紙帶沿豎直方向以減小與限位孔之間的摩擦阻力，故A正確；驗證機械能守恒定律時，可以不選擇紙帶上打出的第一個點作為起點，但如果不選擇第一個點作為起點，必須求出所選起點對應的速度，故B錯誤；電磁打點計時器利用振針打點，其打點時產生的摩擦力比利用電火花計時器打點時的大，故C正確；為了減小空氣阻力的影響，選擇較重的物體作為重物時實驗效果更好，故D錯誤.
乙
2.26
丙
大于
二、實驗的創新與改進
解析：（1）為了減小紙帶運動過程中與打點計時器之間產生的摩擦，需要在紙帶末端提起紙帶，A正確.
A
（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.
3.34
A. 在誤差允許范圍內
B. 沒有用當地的重力加速度g
不能
B
考題3　（2022·湖北卷）某同學設計了一個用拉力傳感器驗證機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擺動，記錄鋼球擺動過程中拉力傳感器示數的最大值Tmax和最小值Tmin.改變小鋼球的初始釋放位置，重復上述過程.根據測量數據在直角坐標系中繪制的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械能守恒，則圖乙中直線斜率的理論值為
－2
－2.1
0.59
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
C
解析：（3）小鋼球擺動過程克服空氣阻力做功，使一部分機械能轉化為內能，C正確.
深化　　實驗創新
創新角度 實驗裝置/原理圖 創新解讀
實驗原理創新 （1）利用機械能守恒定律確定彈簧彈性勢能.
（2）由平拋運動測量球的初速度.
（3）利用s－Δx圖線處理數據
（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
創新角度 實驗裝置/原理圖 創新解讀
實驗情
境創新
（1）利用系統機械能守恒代替單個物體的機械能守恒.
（2）利用光電門測定滑塊的瞬時速度
例2　某同學用如圖（a）所示的裝置驗證機械能守恒定律.用細線把鋼制的圓柱掛在架子上，架子下部固定一個小電動機，電動機軸上裝一支軟筆.電動機轉動時，軟筆尖每轉一周就在鋼柱表面畫上一條痕跡（時間間隔為T）.如圖（b）所示，在鋼柱上從痕跡O開始選取5條連續的痕跡A、B、C、D、E，測得它們到痕跡O的距離分別為hA、hB、hC、hD、hE. 已知當地重力加速度為g.
0.02
解析：（2）實驗操作時，應該先打開電源使電動機轉動，后燒斷細線使鋼柱自由下落，A正確.
A

g
訓練2　（2025·石家莊辛集質檢）為了消除空氣阻力對實驗結果的影響，某實驗小組用如圖甲所示實驗裝置做驗證機械能守恒定律實驗.牛頓管豎直固定在鐵架臺上，光電門固定在牛頓管的外側，緊貼牛頓管外側再固定刻度尺（0刻度線與管口齊平，圖中未畫出）.啟動抽氣泵，將牛頓管內的空氣抽出，已知橡膠球的質量為m，當地重力加速度為g.
6.60
（2）從刻度尺上讀取橡膠球球心和光電門中心對應的刻度值l1、l2，將橡膠球由靜止釋放，記錄橡膠球第一次通過光電門的擋光時間Δt1.

g（l2－l1）
限時跟蹤檢測
A級·基礎對點練
1. 用如圖1所示的裝置做“驗證機械能守恒定律”的實驗，將重錘固定在紙帶一端，使重錘由靜止自由下落，打出的紙帶由于初始部分的點跡模糊不清，舍去這部分點跡后得到如圖2所示紙帶.
圖1
圖2
1
2
3
4
5
A. 彈簧測力計 B. 天平
C. 毫米刻度尺 D. 停表
C
1
2
3
4
5
A. 選用質量大、體積小的重錘可以減小實驗的偶然誤差
B. 圖2中紙帶的左側是與重錘相連的一端
C. 若通過圖像驗證機械能守恒，必須多次重復實驗，才能得到多個數據點
D. 利用數據作出v2－h圖像，若圖像是直線，則說明重物下落過程機械能守恒
B
圖2
1
2
3
4
5
解析：（2）驗證機械能守恒定律實驗中，由于重錘要克服空氣阻力做功，從而產生系統誤差，選用質量大、體積小的重錘能減小空氣阻力的影響，從而減小系統誤差，A錯誤；由題圖2可知，從A點到H點，相等時間內位移逐漸變大，可知題圖2中紙帶的左側是與重錘相連的一端，B正確；若通過圖像驗證機械能守恒，需要從紙帶上選擇合適數目的點，不需要重復實驗，C錯誤；根據v2＝2ah可知只要加速度大小恒定，v2－h圖線均為直線，所以v2－h圖線是直線，不能說明重物下落過程機械能守恒，D錯誤.
1
2
3
4
5
解析：（3）測出了AC段和FH段長度，根據勻變速直線運動中間時刻瞬時速度等于該過程的平均速度，可以求出B點和G點的速度，所以要驗證機械能守恒，還需要測出BG段的長度.
BG
1
2
3
4
5
2. 如圖甲所示為在氣墊導軌上驗證機械能守恒定律的實驗裝置，將導軌調至水平，滑塊裝有寬度為d的遮光條，滑塊包括遮光條總質量為M. 細繩下端掛鉤碼，鉤碼的質量為m.滑塊在鉤碼作用下先后通過兩個光電門，用光電計時器記錄遮光條通過光電門1和2各自的時間，可以計算出滑塊通過光電門的速度v1和v2，用刻度尺測出兩個光電門之間的距離x，重力加速度為g.
甲
乙
1
2
3
4
5
乙
解析：（1）由題圖乙知，游標卡尺測量的遮光條的寬度為d＝6 mm＋12×0.05 mm＝6.60 mm＝0.660 cm.
0.660
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
丙

1
2
3
4
5
3. （2025·湖南衡陽期末）現要通過實驗驗證機械能守恒定律，實驗裝置如圖（a）所示，實驗過程如下：
圖（a）
圖（b）
解析：（1）螺旋測微器的分度值為0.01 mm，固定刻度為6.5 mm，可動刻度為38.3×0.01 mm＝0.383 mm，小球的直徑為d＝6.5 mm＋0.383 mm＝6.883 mm.
（敲黑板：螺旋測微器又名千分尺，利用螺旋測微器測量時其讀數以毫米為單位小數點后必須有3位數，所以讀數時不要忘記估讀）3
6.883
（6.882～6.884均可）
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
增大
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
B級·能力提升練
4. 某實驗小組利用如圖（a）所示的裝置驗證機械能守恒定律.輕繩兩端分別系著質量為m的物塊A（含擋光片）和質量為M的物塊B，將擋光片的中心位置固定在物塊A的中間位置.實驗時，由靜止釋放物塊B，B向下運動.為了減小實驗誤差，進行多次實驗，改變物塊A的初始位置，使物塊B從不同的高度由靜止釋放，記錄每次釋放前擋光片的中心位置到光電門中心的高度差h以及擋光片穿過光電門的時間Δt，已知當地重力加速度大小為g.
圖（a）
圖（b）
1
2
3
4
5
2.06
圖（b）
解析：（1）該游標卡尺游標尺為10分度，
其精度為0.1 mm，擋光片寬度為d＝2 cm＋6×0.1 mm＝2.06 cm.
1
2
3
4
5

1
2
3
4
5
A. 選用質量大、體積小的物塊
B. 選用質量小、體積大的物塊
C. 選用質量小的滑輪
D. 選用質量大的滑輪
AC
解析：（3）物塊體積越大，在運動過程受到的空氣阻力越大，選用質量大、體積小的物塊可減小阻力的影響，從而減小實驗誤差，A正確，B錯誤.由于在實驗過程中，滑輪會因與繩子的摩擦而發生轉動，從而消耗一部分能量.因此為了減小實驗誤差應選擇質量小的滑輪，C正確，D錯誤.
1
2
3
4
5
5. （2025·安徽皖江名校聯盟聯考）某同學利用圖甲中的實驗裝置探究機械能變化量與力做功的關系，所用器材有：一端帶滑輪的長木板、輕細繩、200 g的鉤碼若干、質量為2 kg的滑塊、打點計時器、刻度尺，已知當地重力加速度為g＝9.8 m/s2.實驗操作步驟如下：
（1）如圖甲所示安裝器材，保持桌面、長木板水平，輕細繩下端懸掛5個鉤碼，調整裝置，使細繩水平.
甲
1
2
3
4
5
（2）接通打點計時器電源，交流電頻率為50 Hz，再釋放滑塊，得到一條紙帶，將紙帶上打出的第一個點標記為0計數點，再依次取計數點1、2、3、4、5、6，每兩個計數點之間有4個點未畫出，測出各點到0點之間的距離如圖乙所示，單位為cm.
乙
1
2
3
4
5
解析：（3）從0點到5點，系統中只有鉤碼的重力勢能減小，系統重力勢能的減少量為ΔEp＝mgh＝200×5×10－3×9.8×20.84×10－2 J≈2.04 J.
2.04
0.83
1
2
3
4
5
解析：（6）從0點到5點滑塊克服摩擦力做的功為Wf＝μMgx5≈0.98 J.
1.03
1.01
0.98
1
2
3
4
5
解析：（7）分析實驗結果可得出的實驗結論是：在誤差允許的范圍內，系統機械能損失量等于滑塊克服摩擦力做的功.
在誤差允許范圍內，系統機械能損失量等于
滑塊克服摩擦力做的功
1
2
3
4
5

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