第五節驗證機械能守恒定律

驗證機械能守恒定律

1．機械能守恒定律是可以通過理論推導出來的定律，用實驗不僅可檢驗機械能守恒定律，而且還可檢驗物理理論． 2．學會設計實驗，通過正確理解機械能守恒定律的內容和____________，設計驗證實驗．成立條件3．學會數據處理，從實驗結果中分析數據，得出結論．要點1創新實驗方案設計

1．用氣墊導軌驗證機械能守恒定律 (1)在該實驗中選取氣墊導軌、光電門、數字計時器等器材，如圖4－5－1所示安裝實驗裝置，圖中m為滑塊質量，l為擋光板長度，G1、G2

為光電門．

圖4－5－1

(2)將滑塊從軌道上端某一處滑下，測出它通過光電門G1和G2

時的速度v1

和v2，可得到G1

到G2

這段位移中滑塊的動

(3)再算出G1

到G2

這段位移中滑塊重力勢能的減少量ΔEp，比較ΔEk

和ΔEp，得到ΔEk＝ΔEp

的結論，從而證明機械能守恒． 2．用自由落體和打點計時器驗證機械能守恒定律圖4－5－2

(1)安裝：如圖4－5－2所示，將打點計時器固定在鐵架臺上，用導線將打點計時器與低壓交流電源相連接．

(2)接電源，打紙帶：把紙帶的一端在重物上用夾子固定好，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手提著紙帶使重物停靠在打點計時器附近，接通電源，待打點穩定后松開紙帶，讓重物自由下落．重復幾次，打下3～5條紙帶．

(3)選紙帶：選取點跡較為清晰的紙帶；挑選紙帶上第一個點及距離第一個點較遠的點，并依次標上0、1、2、3、… (4)數據測量：測出0到點1、點2、點3、…的距離，即為對應的下落高度h1、h2、h3、…

(5)數據處理：利用打點計時器在紙帶上記錄下物體自由下落的高度h，計算出瞬時速度v，便可驗證物體重力勢能的減少3．利用平拋運動驗證機械能守恒定律

(1)運用如圖4－5－3所示的裝置，讓小球從光滑斜軌道的某一高度處由靜止開始滾下．小球離開軌道時做平拋運動．圖4－5－3

(2)測出圖中平臺高度H、小球在光滑斜軌道上由靜止開始滾下時離平臺的高度h以及小球做平拋運動時的水平位移s.

【例1】為進行“驗證機械能守恒定律”的實驗，有下列器材可供選擇：鐵架臺、打點計時器、復寫紙、紙帶、低壓直流電源、天平、秒表、導線、開關，其中不必要的器材是___________________，缺少的器材是_____________________.

解析：打點計時器工作是需要用交流電源的，故低壓直流電源應該換成低壓交流電源；在該實驗中，物體的質量可以不用測量，用不到天平；打點計時器已經起到計時的作用了，秒表多余，而且打點計時器比秒表計時更精確．低壓交流電源、重錘、

答案：低壓直流電源、天平、秒表刻度尺

1．如圖4－5－4所示，光滑水平軌道與光滑圓弧軌道相切，輕彈簧的一端固定在軌道的左端，OP是可繞O點轉動的輕桿，且擺到某處就能停在該處；另有一小鋼球(可看做質點)．現在利用這些器材測定彈簧被壓縮時的彈性勢能．圖4－5－4重力質量(1)還需要的器材是______、_______．天平刻度尺

(2)以上測量實際上是把對彈性勢能的測量轉化為對___________的測量，進而轉化對______和______的直接測量．高度勢能要點2實驗注意事項及數據分析

1．落體法驗證機械能守恒定律的注意事項 (1)安裝打點計時器時，必須使穿紙帶的兩限位孔在同一豎直線上，以減少紙帶和限位孔的摩擦． (2)紙帶應保持豎直，平直不卷曲，避免人為增大摩擦阻力． (3)紙帶選取：點跡清晰、點成一線及第1、2點間間距接近2mm這樣的紙帶最合適． (4)測量下落高度時，必須從起點開始算．

測量，物體的質量選取要盡量大些，以減小因摩擦造成的相對誤差．(6)數據計計算時，應注注意重力加速速度g取當地的值．．的，而我們的的實驗目的是是驗證機械能能守恒定律，，顯然，運用用該式求解速度不不妥．(8)不能用用公式v＝gt求物體下落速速度．該式認認為物體下落落的運動加速度度為g，而實際上在在實驗中不可可避免地受到到各種摩擦力的作用，，如計時器的的限位孔與紙紙帶的阻力等等．因此下落落的加速度必將小小于g，而下落高度度是直接測量量值．這樣得得到的是機械能增加的的結論，而有有阻力作用時時機械能應為為減小的，故故這種方法不能使使用．2．紙帶打點點數據的分析析(1)vn＝hn＋1－hn－12T，即物體在做做勻變速直線線運動時，某某一中間時刻的瞬時時速度等于過過程中的平均均速度，這種種方法能準確確地反映實驗的實實際，直接從從紙帶中求出出實際速度，，因此在數據據處理中，我們可可以使用該種種方法．(2)數據處處理除了數學學分析以外，，還可以用作作圖法來進行行處理．【例2】在“驗證機械械能守恒定律律”的實驗中中，已知打點點計時器所用電源的的頻率為50Hz，查查得當地的重重力加速度g＝9.8m/s2，測得所用重物物的質量為1.00kg，實驗中中得到的一條條點跡清晰的的紙帶如圖4－5－5所所示，把第一一個點記為O，另選連續的的4個點A、B、C、D作為測量點點，待測量量后得到A、B、C、D各點到O點的距離分分別為62.99cm、70.18cm、、77.76cm、85.73cm.根據據以上數據，，可知重物物由O點運動到C點，重力勢勢能的減少少量等于________J，動能能的增加量量等于________J．．(取三位位有效數字字)圖4－－5－－5思路路點點撥撥：：重力力勢勢能能的的減減少少量量等等于于mgh,O為第第一一個個點點，，動動能為為零零，，動動能能的的增增加加量量等等于于C點的的動動能能，，所所以以從從紙紙帶帶數數據據求求C點的的速速度度后后可可得得動動能能的的增增加加量量．．由O點到C點，重力勢能的減少量為ΔEp＝mghc＝1.00×9.8×77.76×10－2J＝7.62J

解析：交流電源頻率f＝50Hz，則答案案：：7.627.572．．在在用用落落體體法法驗驗證證機機械械能能守守恒恒定定律律的的實實驗驗中中：：(1)所所用用重重錘錘的的質質量量m＝1.0kg，，50Hz，打下的紙帶如圖4－5－6所示(圖中的數據為從起始點O到該點的距離)，則在打B點時，重錘的速度vB＝______m/s，重錘的動能EkB＝_____J，從開始下落到打B點時，重錘的勢能