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8.5.2 实验：验证机械能守恒定律
【学习目标】
物理观念：树立能量观念，理解理解实验的设计思路，明确实验中需要测量的物理量。
科学思维：知道实验中选取测量点的有关要求，会测量下落高度和瞬时速度。
科学探究：能正确进行实验操作，能够根据实验数据的分析中得出实验结论。
科学态度与责任：通过实验及误差分析，培养学生实事求是的科学态度，严谨的实验精神，激发学生对物理规律的探知欲。
【合作探究】
学习目标一：回顾旧知
一、实验思路
机械能守恒的前提是“只有 或 做功”，因此研究过程一定要满足这一条件.本节实验我们以只有 做功的过程进行研究.
二、物理量的测量及数据分析
只有重力做功时，只发生重力势能和动能的转化.
(1)要验证的表达式：mv22＋mgh2＝ 或：mv22－mv12＝ .
(2)所需测量的物理量：物体所处两位置之间的 ，及物体的 .
学习目标二：典例分析
考点一：验证机械能守恒定律的实验目的、原理和器材
【例1】在用图示装置做“验证机械能守恒定律”的实验中，初始释放纸带时（　　）
夹子应在靠近打点计时器处
B．夹子应在远离打点计时器处
C．打点计时器应在夹子与手的中间位置
D．手应在挨近打点计时器处
【例2】《用DIS研究机械能守恒定律》的实验中，下列说法中正确的是（　　）
A．摆锤每次都必须从摆锤释放器的位置以不同的速度向下运动
B．必须测定摆锤的质量
C．摆锤下落的高度可由标尺盘直接测定
D．定位挡片的作用是改变摆锤的机械能
考点二：验证机械能守恒定律的实验步骤与数据处理
【例3】小华同学利用如图所示的装置验证机械能守恒定律。下列说法正确的是（ ）
A．电火花计时器应连接交流电源，工作电压约为8V
B．实验中应手提纸带上端，先释放纸带再启动电火花计时器
C．打出的纸带前面一小段被损毁，用剩余部分也能验证机械能守恒定律
D．实验中所测重物的动能增加量通常比其重力势能的减少量稍大
【例4】某同学利用利用重锤和打点计时器做“验证机械能守恒定律”实验，请回答下列问题。根据纸带算出打下各点时重物的速度，量出下落高度，则以为纵坐标，为横坐标画出的图像应是下列选项中的（ ）
A．B．C． D．
【例5】在研究重物自由下落过程中机械能守恒的实验中，得到如图所示的一条纸带，该纸带上最初打出的几个点不清楚，纸带上留下的是后面的一些点算出打下B、C两点时重物的速度分别是、，测得 B、C两点间的距离为h，那么验证机械能守恒的表达式可写为（　　）
A． B． C． D．
考点三：验证机械能守恒定律的注意事项和误差分析
【例6】如图为“验证机械能守恒定律”的实验装置，下列说法正确的是
A．释放纸带时，重锤应尽量远离打点计时器
B．可以利用公式计算重物的速度
C．由于阻力，重锤重力势能的减少量大于动能的增加量
D．交流电源的实际频率若小于，算得的动能偏小
【例7】在“验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法正确的是（　　）
A．必须要用天平称出重锤的质量 B．实验时，当松开纸带让重锤下落的同时，立即接通电源 C．开始时用手提着纸带比用夹子夹着纸带效果更好
D．实验结果应该是动能的增加量略小于重力势能的减小量
巩固练习
选择题
1．如图所示是用打点计时器验证机械能守恒定律的实验装置。关于这一实验，下列说法中正确的是（　　）
A.重物减少的重力势能略小于增加的动能
B．重物应选用密度小的物体
C．纸带释放前，应使其竖直
D．应先释放纸带，后接通电源
2．如图1所示，用重物牵引小车在水平面上由静止开始运动，小车后面连接纸带，打点计时器在纸带上打下一系列点。图2为一次实验得到的纸带，A、B、C为打点计时器在纸带上打下的三个点。下列说法正确的是（　　）
A．图2中的纸带的右端与小车相连
B．A到B和B到C两个过程中小车动能的变化量相等
C．若将小车的质量加倍，则小车的加速度一定减为原来的
D．重物的质量越大，绳上拉力与重物重力的比值越小
3.利用如图1所示装置做“验证机械能守恒定律”实验。回答下列问题：
（1）除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、打点计时器、导线外，在下列器材中还必须使用的器材是________。
A．交流电源 B．毫米刻度尺
C．天平（含砝码） D．秒表
（2）实验中用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方，先_________，再_________（选填“接通电源”或“释放重物”），得到如图2所示一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为h1、h2、h3。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T。设重物的质量为m，从打O点到B点的过程中，重物的重力势能的减少量△EP＝________，动能增加量△Ek＝________。
（3）实验结果表明重力势能的减少量略大于动能的增加量，该实验系统误差的原因是________。
4、如图所示，气垫导轨上质量为M的滑块通过轻质细绳绕过轻质动滑轮与拉力传感器相连，动滑轮下悬挂质量为m的钩码，滑块上遮光条宽度为d。实验时，滑块由静止释放，测得遮光条通过光电门的时间为△t，拉力传感器的读数为F。
（1）某同学在“探究绳子拉力对滑块做功与滑块动能变化的关系”实验时，记录滑块的初位置与光电门的距离L及挡光条通过光电门的时间△t，测得多组L和△t值。应用图像法处理数据时，为了获得线性图像应作___________图像（选填“L-”、“L ”或“L-”），该图像的斜率k=___________；
（2）该同学通过实验发现：绳子拉力F做的功总大于滑块动能的变化量。若实验数据测量准确，出现该情况的可能原因是___________；
A．钩码质量m未远小于滑块质量M B．滑块运动过程中克服阻力做功
C．气垫导轨没有调节水平 D．没有考虑动滑轮的质量
（3）若用上述装置研究系统（含滑块、钩码）机械能守恒，设滑块由静止开始的释放点与光电门的距离为L、挡光条通过光电门的时间为△t，则满足关系式___________（用已知量符号表示）时，运动过程中系统机械能守恒。
8.5 实验：验证机械能守恒定律（2）答案
例1、【答案】A
【详解】A B C．夹子应在靠近打点计时器处，打的点多，A正确，BC错误；
D．手应在远离打点计时器处，D错误。故选A。
例2、【答案】C
【详解】A．摆锤每次都必须从摆锤释放器的位置由静止开始向下运动，故A错误；
B．在验证机械能守恒表达式时，由于动能表达式和重力势能表达式中均含有摆锤质量的一次项，所以可将质量约去，不必要测定摆锤的质量，故B错误；
C．摆锤下落的高度可由标尺盘直接测定，故C正确；
D．在定量研究机械能守恒定律之前需要进行定性研究的实验，实验中用到图中的定位挡片，它的作用是改变摆线的长度，来观察受到阻挡后摆锤能否摆到另外一侧接近释放时的同一高度，故D错误。故选C。
例3、【答案】C
【详解】A．电火花计时器应接220V的交流电源，故A错误；
B．如果先放开纸带开始运动，再接通打点计时时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差；同时先打点，再释放纸带，可以使打点稳定，提高纸带利用率，可以使纸带上打满点，故B错误；
C．前面的纸带损毁，利用后面纸带的从个相距较远的两点也能验证机械能守恒律：利用匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度，可分别求出打下这两点的速度，进而可求出动能的增加量，量出两点的距离后，可以求出重力势能的减小量，然后两者对比，即可验证机械能守恒定律，故C正确；
D．重物带动纸带下落过程中，除了重力还受到阻力，从能量转化的角度，由于阻力做功，重力势能有部分转化给摩擦产生的内能，所以重力势能的减小量略大于动能的增加量，故D错误。故选C。
例4、【答案】B
【详解】在“验证机械能守恒定律”实验中，有 因此 由于是常量，因此图像应为过原点的倾斜直线，故ACD错误，B正确。故选B。
例5、【答案】B
【详解】从B运动到C的过程中，重力势能的减少量为
动能的增加量为
所以验证机械能守恒的表达式为 即
故选B。
例6、【答案】C
【详解】A．为了充分利用纸带，减少实验误差，释放纸带时，重锤应尽量靠近打点计时器，故A错误；
B．求解各点的速度，运用某段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度求解，不能根据v=gt计算重物的速度，因为重物下落过程受到一定的阻力作用，使得重物的实际加速度小于g，故B错误；
C．由于阻力，重锤重力势能的减少量大于动能的增加量，故C正确；
D．交流电频率小于50Hz时，会导致速度测量值偏大，导致算得的动能偏大，故D错误。故选C。
例7、【详解】A．验证机械能守恒的实验中，根据实验原理，需要验证下列方程成立，即 则不需要天平称量质量，故A错误；
B．如果先放开纸带让重物下落，立即接通打点计时器的电源，由于重物运动较快，不利于数据的采集和处理，会对实验产生较大的误差；应先接通电源，再释放重锤，故B错误；
C．应用夹子夹住纸带上端避免手提纸带因抖动而造成摩擦的增大，故C错误；
D．由于阻力的影响，产生内能，根据能量守恒定律知，实验结果总是动能的增量略小于重力势能的减小量，故D正确。故选D。
巩固练习
1．C
【详解】
A．由于摩擦阻力的原因重物减小的重力势能略大于增加的动能，A错误；
B．为了减小空气阻力带来的误差，应选择体积小密度大的物体，B错误；
C．纸带释放前，应该竖直以便减小纸带与打点计时器之间摩擦，C正确；
D．先打开电源，后释放纸带，D错误；
故选C。
2．D
【详解】
A．从图2可以看出，从左往右速度越来越大，所以图中的纸带的左端与小车相连，选项A错误；
B．A到B和B到C两个过程中下降高度不等，重力势能变化不等，根据能量守恒可知小车动能的变化量不相等，选项B错误；
C．以小车和重物整体有
若将小车的质量加倍，则小车的加速度不一定减为原来的，选项C错误；
D．以小车为研究对象有
则绳上拉力与重物重力的比值
所以重物的质量越大，绳上拉力与重物重力的比值越小，选项D正确。
故选D。
3.A、B 接通电源 释放重物 mgh2 空气阻力影响或纸带受到阻力作用
【详解】
(1)[1]打点计时器是利用交流电工作的计时仪器，验证机械能守恒定律实验只需验证
即可，所以需要测量纸带上点迹之间的距离，需要用到刻度尺，故AB正确，CD错误。
故选AB；
(2)[2][3]打点计时器使用时，先释放重物的话，那在计时器开始工作前，重物下降的那一段纸带是无法打点的，故先接通电源后释放重物；
[4]从打O点到B点的过程中，重物的重力势能的减少量
[5] 物体到B点时速度
动能增加量
=)2
(3)[6] 重力势能的减少量略大于动能的增加量，该实验系统误差的原因是物体下落时会受到空气阻力和打点计时器对纸带的阻力作用。
4.【答案】 L BC
【详解】（1）[1]由动能定理 则
则为了获得线性图像应作图像；
[2]该图像的斜率
（2）[3]A．因此实验中应用了力传感器，则不需要钩码质量m远小于滑块质量M，选项A错误；
B．滑块运动过程中克服阻力做功，使得滑块动能的变化量小于绳子拉力F做的功，选项B正确；
C．气垫导轨没有调节水平，滑块要克服重力做功，使得滑块动能的变化量小于绳子拉力F做的功，选项C正确；
D．因此实验中应用了力传感器，则动滑轮的质量对实验无影响，选项D错误；
故选BC。
（3）[4]拉力对系统做功 W=mgL 滑块的速度
则钩码的速度为
则系统动能的增量
则若运动过程中系统机械能守恒，则满足关系式

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