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(共37张PPT)
实验五
验证机械能守恒定律
1.实验目的
验证机械能守恒定律.
2.实验原理
3.实验器材
铁架台(含铁夹)、打点计时器、学生电源、纸带、复写纸、
导线、毫米刻度尺、重物(带纸带夹)等.
4.实验步骤
(1)仪器安装：将检查、调整好的打点计时器按如图所示装置
竖直固定在铁架台上，接好电路.
(2)打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过
打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时
器的地方.先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落.
更换纸带，重复做 3～5 次实验.
5.数据处理
6.误差分析
(1)系统误差：本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，故重物动能的增加量ΔEk稍小于其重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk<ΔEp，这属于系统误差，改进的方法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力.
(2)偶然误差：本实验的另一个误差来源于长度的测量，属于偶然误差.减小误差的方法是测下落距离时都从O点测量时，一次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值.
7.注意事项
(1)应尽可能控制实验条件，即应满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：
①安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，以减小摩擦阻力；
②应选用质量和密度较大的重物，增大其重力可使阻力的影响相对减小，增大其密度可以减小体积，可使空气阻力减小.
(4)测量下落高度时，为了减小测量值 h 的相对误差，选取的
各个计数点要离起始点远一些，纸带也不宜过长，有效长度可在
60～80 cm 之间.
守恒定律验证机械能守恒定律.
考点 1 基本实验原理与实验操作的考查
【典题1】(2024 年浙江卷)在“验证机械能守恒定律”的实验中.
(1)下列操作正确的是________(填字母).
A
B
C
(2)实验获得一条纸带，截取点迹清晰的一段并测得数据如图
所示.已知打点的频率为 50 Hz，则打点“13”时，重锤下落的速
度大小为________m/s(结果保留三位有效数字).
(3)某同学用纸带的数据求出重力加速度g＝9.77 m/s2，并用此
g 值计算得出打点“1”到“13”过程重锤的重力势能减小值为 5.09m，
另计算得动能增加值为 5.08m(m为重锤质量)，则该结果______(填
“能”或“不能”)验证机械能守恒定律，理由是_______(填字母).
A.在误差允许范围内
B.没有用当地的重力加速度 g
解析：(1)应手提纸带上端使纸带竖直，同时使重物靠近打点
计时器，由静止释放，B 正确.(2)根据匀变速直线运动中间时刻
的瞬时速度等于该过程平均速度可得打点“13”时，重锤下落的速
据求出重力加速度 g＝9.77 m/s2，并用此 g 值计算得出打点“1”
到“13”过程重锤的重力势能减小值为 5.09m，另计算得动能增加
值为 5.08m(m 为重锤质量)，则该结果不能验证机械能守恒定律，
理由是：该同学求出的 9.77 m/s2 是重锤受到空气阻力时做匀加速
运动的加速度 a＝9.77 m/s2，不是当地的重力加速度，5.09m也不
是重力势能的减少量.没有当地的重力加速度的数值，无法求出重
力势能的减少量，所以无法验证机械能守恒定律，B 正确.
答案：(1)B (2)3.34 (3)不能　B
考点 2 数据处理与误差分析
【典题 2】如图甲所示，在固定在天花板上的定滑轮两边分
别挂上用轻绳连接的质量为 m、M 的 A、B 两物体，用该实验装
置来验证机械能守恒定律.在物体 B 从高处由静止开始下落时物体
A 下方拖着纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，
即可验证机械能守恒定律.如图乙给出的是实验中获取的一条纸
带，0 是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有 4 个点未标出，
计数点间的距离已在图中标出.已知 m＝40 g，M＝100 g，打点频
率为 50 Hz，重力加速度 g 取 10 m/s2.(结果保留 2 位有效数字)
甲
乙
(1)两个物体运动的加速度为 a＝______m/s2.
(2)在纸带上打下计数点 5 时的速度 v5＝________m/s.
(3)在打点 0～5 过程中系统动能的增量ΔEk＝________J，系统
势能的减少量ΔEp＝________J，由此得出的结论是_____________
_______________________________________________________.
答案：(1)4.0 (2)2.4 (3)0.40 0.42 在误差允许的范围内，
A、B 两物体组成的系统机械能守恒
易错提醒
本实验可从多个角度进行创新：
实验原理的创新
1.利用钢球摆动来验证机械能守恒定律.
2.利用光电门测定摆球的瞬时速度
(续表)
实验原理的创新
1.利用机械能守恒定律求解弹簧弹性势能.
2.由平抛运动测量球的初速度.
3.利用平抛位移s－弹簧压缩量Δx图线处理数据
(续表)
实验过程的创新 　　
1.用光电门测定小球下落到B点的速度.
2.结合 H图线判断小球下落过程中机械能守恒.
3.分析实验误差ΔEp-ΔEk随H变化的规律
考向 1 实验方案的创新
【典题 3】(2023 年广东广州开学考)某研究性学习小组同学
设计了“验证机械能守恒定律”的实验装置，质量分别为 m1 和
m2的物块 A、B，与动滑轮及定滑轮(两滑轮均为轻质滑轮)用不
可伸长的轻质绳按如图甲所示方式连接(绳竖直).物块 B 从高处由
静止开始下落，物块 A 上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上
的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律.图乙所示是实验中获
取的一条纸带，0 点是打下的第一个点，每相邻两个计数点之间还
有 3 个点(图中未标出)，计数点间的距离如图乙所示.(已知当地的
重力加速度大小为 g，打点计时器使用电源的频率为 f)
甲
乙
(1)在纸带上打下记数点 5 时物块 A 的速度大小 v＝________
(用 x1、x2 和 f 表示).
(2)若将 A、B 两物块看作一个系统，则打下 0 点到打下 5 点
的过程中，系统减少的重力势能为_________________________，
系统增加的动能为_______________________.(以上两空均用题目
给出的物理量的字母表示)
(3)经过多次实验发现 A、B 两物块组成的系统减少的重力势
能ΔEp 与系统增加的动能ΔEk 并不相等，请从系统误差的角度分析
二者不相等的可能原因是___________________________________
(写出一条即可).
(3)因为系统机械能部分转化为其他物体的动能或其他形式的
能量而损失掉.
考向 2 实验器材的创新
【典题 4】(2023 年广东汕头二模)某研究小组利用 DIS 实验
装置验证机械能守恒定律.如图所示，内置有光电门的摆锤通过
轻杆与转轴 O 相连，摆锤通过遮光片时可记录遮光时间.实验时，
摆锤从 M 点由静止释放，依次记录其通过每个遮光片所对应的时
间 t.用刻度尺测出每个遮光片距最低点 N 的竖直高度为 h，摆锤质
量为 m，重力加速度为 g.
(1)实验前，用游标卡尺测量遮光片的宽度 d，其示数如图，
则 d＝______mm.
(2)若以最低点 N 为零势能面，选用字母 m、h、d、t、g 表示
物理量，则经过某个遮光片时，摆锤的重力势能 Ep＝_________，
动能 Ek＝____________ ；对比通过各遮光片处摆锤的机械能 E
(E＝Ep＋Ek)是否相等，可判断机械能守恒与否.
(3)为了更直观地处理数据，研究小组绘制了摆锤摆下过程中
动能、重力势能和机械能随高度变化的图像如图所示，仔细比
对数据发现，摆锤摆下过程中，重力势能减少量__________(填
“大于”或“小于”)动能增加量.
解析：(1)由题(1)图知，遮光片的宽度为 d＝8 mm＋0.1 mm×
7＝8.7 mm.
2t2
(3)由 Ep＝mgh 知，Ep-h 图像是一条过原点的直线，可见重力
势能的图线应为 B，摆球摆下过程中，速度逐渐增大，其动能逐
渐增大，可见动能的图线应为 C，则机械能的图线应为 A.由图知，
摆球摆下过程中，摆球的机械能逐渐减少，动能逐渐增加，重力
势能逐渐减少，则摆球的重力势能减少量大于动能增加量.
答案：(1)8.7 (2)mgh
md2
(3)大于

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