验证机械能守恒定律.doc

实验： 验证机械能守恒定律
一、实验原理
物体在自由下落过程中，重力势能减少，动能增加。如果忽略空气阻力，只有重力做功，物体的机械能守恒，重力势能的减少等于动能的增加。设物体的质量为m，借助打点计时器打下纸带，由纸带测算出至某时刻下落的高度h及该时刻的瞬时速度v；进而求得重力势能的减少量│△Ep│=mgh和动能的增加量△EK=1/2mv2；比较│△Ep│和△EK，若在误差允许的范围内相等，即可验证机械能守恒。
测定第n点的瞬时速度vn：依据“物体做匀变速直线运动，在某段时间内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度”，用公式vn=（hn+1-hn-1）/2T计算(T为打下相邻两点的时间间隔)。
二、实验器材
电火花计时器(或电磁打点计时器)，交流电源，纸带(复写纸片)，重物(带纸带夹子)，导线，刻度尺，铁架台(带夹子)。
三、实验步骤
(1)按图装置固定好计时器，并用导线将计时器接到电压合适的交流电源上(电火花计时器要接到220 V交流电源上，电磁打点计时器要接到4 V～6 V的交流低压电源上)。
(2)将纸带的一端用小夹子固定在重物上，使另一端穿过计时器的限位孔，用手竖直提着纸带，使重物静止在靠近计时器的地方。
(3)接通电源，松开纸带，让重物自由下落，计时器就在纸带上打下一系列小点。
(4)换几条纸带，重做上面的实验。
(5)从几条打上了点的纸带上挑选第一、二两点间的距离接近2 mm且点迹清晰的纸带进行测量。
(6)在挑选出的纸带上，先记下打第一个点的位置0(或A)，再任意选取几个点1、2、3(或B、C、D)等，用刻度尺量出各点到0的距离h1、h2、h3等，如图所示。
(7)用公式vn=（hn+1-hn-1）/2T计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3等。
(8)计算出各点对应的势能减少量mghn和动能的增加量1/2mvn2的值，进行比较，得出结论。
四、实验记录

五、实验结论
在只有重力做功的情况下，物体的重力势能和动能可以相互转化，但机械能的总量保持不变。
六、实验注意事项
(1)计时器要竖直地架稳、放正。架稳就是要牢固、稳定。重物下落时它不振动；放正就是使上下两个限位孔在同一竖直平面内一条竖直线上与纸带运动方向相同，以减小纸带运动时与限位孔的摩擦(可用手提住固定好重物的纸带上端，上下拉动纸带，寻找一个手感阻力最小的位置)。
(2)打点前的纸带必须平直，不要卷曲，否则纸带在下落时会卷到计时器的上边缘上，从而增大了阻力，导致实验误差过大。
(3)接通电源前，提纸带的手必须拿稳纸带，并使纸带保持竖直，然后接通电源，待计时器正常工作后，再松开纸带让重物下落，以保证第一个点迹是一个清晰的小点。
(4)对重物的要求：选用密度大、质量大些的物体，以减小运动中阻力的影响(使重力远大于阻力)。
(5)纸带的挑选：应挑选第一、二两点间的距离接近2 mm且点迹清晰的纸带进行测量。这是因为：本实验的前提是在重物做自由落体运动的情况下，通过研究重力势能的减少量与动能的增加量是否相等来验证机械能是否守恒的，故应保证纸带(重物)是在打第一个点的瞬间开始下落。计时器每隔O．02 s打一次点，做自由落体运动的物体在最初0．02 s内下落的距离h1=1/2gt2=1/2×9．8×0．022m=0．002 m=2 mm，所以若纸带第一、二两点间的距离接近2 mm，就意味着重物是在打第一个点时的瞬间开始下落的，从而满足本次实验的前提条件(打第一个点物体的初速度为零，开始做自由落体运动)。
(6)测量下落高度时，必须从起点o量起。为了减小测量^的相对误差，选取的计数点要离O点适当远些(纸带也不宜过长，其有效长度可在60 cm～80 cm以内)。
(7)本实验并不需要知道重力势能减少量和动能增加量的具体数值，只要对mgh与1/2mv2进行比较（实际上只要验证1/2v2=gh即可）以达到验证机械能守恒的目的，所以不必测出重物的质量。
七、误差分析
(1)做好本实验的关键是尽量减小重物下落过程中的阻力，但阻力不可能完全消除。本实验中，误差的主要来源是纸带摩擦和空气阻力。由于重物及纸带在下落中要不断地克服阻力做功，因此物体动能的增加量必稍小于重力势能的减少量，这是系统误差。减小系统误差的方法有选用密度大的实心重物，重物下落前纸带应保持竖直，选用电火花计时器等。
(2)由于测量长度会造成误差，属偶然误差，减少办法一是测距离都应从起点0量起，下落高度h适当大些(过小，h不易测准确；过大，阻力影响造成的误差大)，二是多测几次取平均值。

八、精题精练
1、（2010·安徽池州市高三12月） 某实验小组利用拉力传感器和速度传感器探究“动能定理”，如图所示，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的大小。在水平桌面上相距50.0cm的A、B两点各安装一个速度传感器记录小车通过A、B时的速度大小。小车中可以放置砝码。

1）实验主要步骤如下：
①测量_______和拉力传感器的总质量M1;把细线的一端固定在拉力传感器上另一端通过定滑轮与钩码相连；正确连接所需电路；
②将小车停在C点，______，小车在细线拉动下运动，记录细线拉力及小车通过A、B时的速度。
③在小车中增加砝码，或_______________，重复②的操作。
（2）表1是他们测得的一组数据，其中M是M1与小车中砝码质量m之和，|v22－v12| 是两个速度传感器记录速度的平方差，可以据此计算出动能变化量△E，F是拉力传感器受到的拉力，W是F在A、B间所作的功。表格中△E3=__________，W3=________.(结果保留三位有效数字)
表1 数据记录表
次数
M/kg
|v22－v21| /(m/s)2
△E/J
F/N
W/J
1
0.500
0.760
0.190
0.400
0.200
2
0.500
1.65
0.413
0.840
0.420
3
0.500
2.40
△E3
1.220
W3
4
1.000
2.40
1.20
2.420
1.21
5
1.000
2.84
1.42
2.860
1.43
答案：（1）①小车、砝码 ②然后释放小车 ③减少砝码
（2）0.600 0.610

2、（2010·江苏青阳中学高三期中）某实验小组利用如图甲所示的实验装置来验证钩码和滑块所组成的系统机械能守恒．

（1）实验前需要调整气垫导轨底座使之水平，利用现有器材如何判断导轨是否水平？
．
（2）实验时将滑块从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间Δt，遮光条的宽度为d,则滑块经过光电门时的瞬时速度为 　,在本次实验中还需要测量的物理量有：钩码的质量m、 和 （文字说明并用相应的字母表示）．
（3）本实验通过比较 和 在实验误差允许的范围内相等（用测量的物理量符号表示），从而验证了系统的机械能守恒（当地重力加速度为g）
答案：（1）接通气源，将滑块静置于气垫导轨上，若滑块基本保持静止，则说明导轨是水平的（或轻推滑块，滑块能基本做匀速直线运动）．(4分)
（2）d/Δt;（2分） 滑块上的遮光条初始位置到光电门的距离s;滑块的质量M. （4分）
（3） mgs;（2分） 　
3、（2010·江苏无锡一中高三期中） 某同学在应用打点计时器做验证机械能守恒定律实验中，获取一根纸带如图a所示，但测量发现0、1两点距离远大于2mm,且0、1和1、2间有点漏打或没有显示出来，而其他所有打点都是清晰完整的，现在该同学用刻度尺分别量出2、3、4、5、6、7六个点到0点的长度hi（i=2．3．4…7），再分别计算得到3、4、5、6四个点的速度vi和vi2（i= 3．4．5．6），已知打点计时器打点周期为T．

（1）（4分）该同学求6号点速度的计算式是：v6= ▲
（2）（6分）然后该同学将计算得到的四组（hi ，vi2 ）
数据在v2- h坐标系中找到对应的坐标点，将四个
点连接起来得到如图b所示的直线，请你回答：接
下来他是如何判断重锤下落过程机械能守恒的？
答： ▲ .

答案：（1） （4分）
（2） 根据机械能守恒定律，从0点到任意i点有 得到：， 关系是一条直线，斜率为2g，所以只要在直线上取相对较远两点，计算出斜率，与2g比较，在实验误差范围内相等即可。（6分）
4、（2010·福建漳州三中高三月考） 某同学在用落体法验证机械能守恒定律时，进行了以下步骤：
a．把电磁打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器接在低压交流电源上；
b．将连有重物的纸带穿过打点计时器的限位孔，提稳纸带并将重物靠近打点计时器；
c．释放纸带，然后接通电源开关，打出一条纸带；
d．更换纸带，重复b、c步骤，选出点迹清晰符合要求的纸带；
e．用公式求出速度，验证机械能是否守恒.
在以上的操作中，你认为存在错误的步骤是 （只填步骤前序号）.
答案： c e
5、（2010·江苏丹阳中学高三期中）
某同学利用透明直尺和光电计时器来验证机械能守恒定律，实验的简易示意图如右图，当有不透光物体从光电门间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间.所用的西瓯XDS-007光电门传感器可测的最短时间为0.01ms.将挡光效果好、宽度为d＝3.8×10-3m的黑色磁带贴在透明直尺上，从一定高度由静止释放，并使其竖直通过光电门.某同学测得各段黑色磁带通过光电门的时间△ti与图中所示的高度差△hi，并将部分数据进行了处理，结果如下表所示。（取g＝9.8m/s2，注：表格中M为直尺质量）

i（10-3s）
vi（m·s-1）
△E ki=
△hi（m）
Mg△hi
1
1.21
3.13

2
1.15
3.31
0.58M
0.06
0.58M
3
1.00

0.24

4
0.95
4.00
3.10M
0.32
3.14M
5
0.90
4.22
4.01M
0.41
4.02M
（1）从表格中数据可知，直尺上磁带通过光电门的瞬时速度是利用 求出的，请你简要分析该同学这样做的理由是： _______________．
（2）请将表格中数据填写完整．
（3）通过实验得出的结论是： ．
（4）根据该实验请你判断下列k-△h图象中正确的是（ ）

答案：（1） （1分） 瞬时速度等于极短时间或极短位移内的平均速度 （2分）
（2）3.80； 2.32M； 2.35M （3分）
（3）在误差允许的范围内，重力势能的减少量等于动能的增加量（3分）
（4）C
6、 （ 2010·潍坊临朐一中高三期中） 如图所示的实验装置验证机械能守恒定律，实验所用的电源为学生电源，输出电压为6V的交流电和直流电两种.重锤从高处由静止开始落下，重锤上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，验证机械能守恒定律.
（1）下面列举了该实验的几个操作步骤：
A．按照图示的装置安装器件；
B．将电磁打点计时器接到电源的直流输出端上；
C．用天平测量出重锤的质量；
D．释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带；
E．选择合适的纸带，测量打出的纸带上某些点之间的距离；
F．根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。
上述操作中没有必要进行或者操作不恰当的步骤是_____________。（填序号）

（2）若实验中所用重锤质量m=1kg，打点纸带如下图所示，打点间隔为0.02s，从O点开始下落，各点到O点的距离如图所示（O点与A点间其他点未画出.从O点起至C点，重锤的重力势能减小量是
|△EP|=______________J，重锤的动能增加量 |△EKC|= J.（当地重力加速度g=9.8m/s2，结果取3位有效数字）

答案：（1）BCD （2）0.308 0.296
7、（2010·浙江学军中学高三第四次月考）
小华同学想研究重锤自由落体运动中机械能是否守恒，他利用打点计时器来做该实验，获取一根纸带如图，但测量发现0、1两点距离远大于2mm,且0、1和1、2间有点漏打或没有显示出来，而其他所有打点都是清晰完整的，已知打点计时器打点周期为T．现小华用刻度尺分别量出2、3、4、5、6、7六个点到0点的长度hi（i=2、3、4、5、6、7），再分别计算得到3、4、5、6四个点的速度vi和vi2（i= 3、4、5、6），
①求6号点速度的计算式是：v6=
0
1
2
3
4
5
6
7

②然后小华将计算得到的四组（hi ，vi2 ）数据在v2- h坐标系中找到对应的坐标点，将四个点连接起来得到如图所示的直线，请你回答：（1）从O点到任意点i点机械能守恒定律表达式为：
（2）故接下来他只要计算出图像_______,并与________比较，就可判断重锤下落过程是否机械能守恒。（3）该图像中直线交纵轴截距表示_____。

答案：① ② （1）
（2）斜率为 2g （3）

10、（2010·山东省济南外国语学校高三质量检测） （1）关于验证机械能守恒定律的实验，下列说法中正确的是
A．选取重物时，体积大些好
B．选取重物时，质量小点好
C．选取重物时，应选质量大、体积小的物体较好
D．选定重物后，一定要称出它的质量
（2）在《验证机械能守恒定律》的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，测得当地的重力加速度g=9.80m/s2，测得所用重物的质量为1.00kg，实验中得到一点迹清晰的纸带，把第一点记作O，另选连续的4个点A、B、C、D作为测量的点，经测量知道A、B、C、D到0点的距离分别为62.99cm,70.18cm,77.76cm,85.73cm,根据以上的数据，可知重物由0运动到C点，重力势能的减小量等于 J,动能的增加量等于 J。（保留三位有效数字）

答案：（1）C（2分）；（2）7.62（3分），7.56（3分）
11、 （2010·安徽利辛二中高三第四次月考） 在“验证机械能守恒定律”的实验中，把质量为50g的钩码固定在纸带下端，让纸带穿过打点计时器，接通电源，松开纸带，让钩码自由下落，在纸带上打下一系列的点，用刻度尺测量起点O到各点的距离，并知道交流电源的频率为50Hz，空气阻力不可忽略。由上述数据，在此实验中可以做到（ ）
A．测出当地重力加速度的精确值
B．计算出纸带上某点对应的钩码的动能
C．计算钩码在下落过程中受到的合外力
D．准确地验证机械能守恒定律
答案： BC 。

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