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第5节 实验：验证机械能守恒定律
第八章 机械能守恒定律
物理
学习目标
①理解实验的设计思路,明确实验中需要直接测量的物理量。
②知道实验中选取测量点的有关要求,会根据实验中打出的纸带测定物体下落的距离,掌握测量物体运动的瞬时速度的方法。
③能正确进行实验操作,能够根据实验数据的分析得出实验结论。
④能定性地分析产生实验误差的原因,并会采取相应的措施减小实验误差。
学习重难点
重点：
1.验证机械能守恒定律的实验原理、实验方案以及设计思路。
2.实验操作以及记录和处理数据。
难点：
1.设计实验方案。
2.采集与处理实验数据。
情境导入
情境1
生活中常见的哪些运动符合机械能守恒定律
以上实例中，采用哪种验证机械能守恒定律较易操作？
一、实验目的
验证机械能守恒定律。
或
二、实验原理
1. 做自由落体运动的物体，其重力势能与动能相互转化。若重力势能的减少量和相应过程动能的增加量相等,则该物体机械能守恒。
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案例一：研究自由下落物体的机械能
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2.测量速度：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点之间的平均速度，即 。
计算第个点速度的方法为测出第个点与相邻前后点之间的距离和，由公式得出。
0
1
2
3
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三、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(带夹子)。
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四、实验步骤
1.安装置:按原理图所示将打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。
2.打纸带: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,让重物下落。
更换纸带重复做3~5次实验。
3.选纸带:分两种情况说明
（1）用验证时，应选点迹清晰，且1、 2两点间距离小于或接近2mm的纸带。
（2）用=验证时，纸带上打出的第1、 2两点间的距离是否为2mm均可。
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五、数据处理
1.方法一：利用起始点和第n点计算。代入和，若在实验误差允许范围内， 和相等，则验证了机械能守恒定律。
2.方法二：任取两点计算。任取两点A、B测出,算出 和的值。在实验误差允许范围内 ，若 ，则验证机械能守恒定律。
3.方法三：图像法
从纸带上选取多个点，测量从第一个点到其余各点的下落高度，并计算各点速度的平方,然后以为纵轴，以为横轴，根据实验数据绘出图线。若在误差允许范围内图像是一条过原点且斜率为的直线，则验证了机械能守恒定律。
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六、注意事项
1.安装打点计时器时要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力。
2. 重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。本实验不需要知道重物动能具体值，故不需要测质量。
3.先接通电源,让打点计时器正常工作,后松开纸带让重物下落。
4. 不能用或计算速度，相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律。
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七、误差分析
1.系统误差
本实验中因重锤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ΔEk<ΔEp,改进的方法是调整器材的安装,尽可能减小阻力。
2.偶然误差
误差来源于长度的测量,减小误差的方法是测下落距离时都从O点测量,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。
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[例题1] 某位同学做“验证机械能守恒定律”的实验，下列操作步骤中错误的是（ ）
A.把打点计时器固定在铁架台上，用导线连接到低压交流电源
B.将连有重锤的纸带穿过限位孔，将纸带和重锤提升到一定高度
C.先释放纸带，再接通电源
D.更换纸带，重复实验，根据记录处理数据
C
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[例题2]如图所示装置，采用重物自由下落的方法做“验证机械能守恒定律”的实验。
(1)图中电磁打点计时器的工作电压是（ ）
A．交流电4~6V
B．直流电4~6V
C．交流电220V
D．直流电220V
A
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(2)已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，当地的重力加速度，所用重物的质量为200g。实验中选取一条符合实验要求的纸带如图所示，为纸带下落的起始点，、、为纸带上选取的三个连续点。计算点瞬时速度时，甲同学用,乙同学用，其中所选方法正确的是_____（选填“甲”或“乙”）同学；根据以上数据，可知重物由运动到点时动能的增加量等于_________重力势能减少量等于_________（计算结果均保留3位有效数字）。
乙
0.369
0.376
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[思考与讨论]
1.实验中，发现重物减少的势能总是大于重物增加的动能，造成这种现象的主要原因是？
实验中由于空气对重物阻力和打点计时器对纸带的阻力影响，得出重力势能的减小量总是大于动能的增加量
2.除了打点计时器，还可以用哪些实验仪器研究自由落体运动中的机械能守恒问题？
频闪照片、光电门等
二、实验原理
滑块沿倾斜的气垫导轨下滑，重力势能减小，动能增大。若重力势能的减少量和动能的增加量相等,则滑块机械能守恒。
一、实验目的
验证机械能守恒定律。
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案例二：研究沿斜面下滑的物体的机械能
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三、实验器材
气垫导轨、光电门、有遮光条的滑块、数字计时器、电源
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四、实验步骤
1.将气垫导轨放在水平桌面上,桌面高度不低于1 m,将导轨调至合适倾斜角度，并测量倾角。
2.用游标卡尺测量挡光条的宽度
3.由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离
4.将滑块移至光电门1左侧某处,待砝码静止不动时,释放滑块
5.从数字计时器上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间和
五、数据处理
代数计算。代入和，若在实验误差允许范围内， 和相等，则机械能守恒。
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[例题3]如图所示，某实验小组利用该装置来验证机械能守恒定律。在气垫导轨上固定两个光电门，光电门连接数字毫秒计，滑块上固定宽度为遮光条。把导轨的右端垫高，测出倾角为，已知当地重力加速度为
气垫导轨
光电门2
光电门1
遮光条
滑块
连气源
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(1)实验时，将滑块从某处由静止释放，若测得滑块遮光条通过某光电门的时间 ，则滑块通过光电门的瞬时速度为 。
(2)若通过光电门1和2的速度分别为和 ，还需要测量
（并给这个物理量赋予字母），满足表达式 ，说明机械能守恒。
光电门1到光电门2的距离L
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【变式训练】如图所示，某活动小组利用该实验装置验证机械能守恒定律。将气垫导轨调节水平后在上面放上、两个光电门，滑块通过一根细线与小盘相连。测得小盘和砝码的总质量，质量为的滑块上固定的挡光片宽度为。实验中，静止释放滑块后测得滑块通过光电门的时间为，通过光电门的时间为。
（1）实验中，该同学还需要测量 ；
（2）实验测得的这些物理量若满足表达式为 ，即可验证系统机械能守恒。（用实验中所测物理量相应字母表示）
A、B两光电门之间的距离s
[思考与讨论]
例3与变式训练在实验原理方面最大的区别是什么？
例3为单个物体机械能守恒，变式训练为体系机械能守恒，减少的重力势能转化为与增加的动能。
完成课本课后习题和学案。
布置作业
谢谢大家

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