【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．理解驗證機(jī)械能守恒定律的原理。2．能夠控制實驗條件，正確進(jìn)行實驗操作，獲取物體下落的高度和速度大小等數(shù)據(jù)，會分析實驗誤差產(chǎn)生的原因，并能采取相應(yīng)措施，以減小實驗誤差。
機(jī)械能守恒的前提是“只有______________做功”，因此研究過程一定要滿足這一條件。本節(jié)實驗我們以只有重力做功的過程進(jìn)行研究。
物理量的測量及數(shù)據(jù)分析
案例1　研究自由下落物體的機(jī)械能1．實驗器材鐵架臺(帶鐵夾)、打點計時器、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫紙(或墨粉盤)、導(dǎo)線、毫米刻度尺、交流電源。
2．實驗步驟(1)安裝裝置：按圖甲所示把打點計時器安裝在鐵架臺上，用導(dǎo)線把打點計時器與電源連接好。
?(2)打紙帶：在紙帶的一端把重物用夾子固定好，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物停靠在打點計時器附近。先接通電源后釋放紙帶，讓重物拉著紙帶自由下落。重復(fù)幾次，得到3～5條打好點的紙帶。(3)選紙帶并測量：選擇一條點跡清晰的紙帶，確定要研究的開始和結(jié)束的位置，測量并計算出兩位置之間的距離Δh及兩位置時紙帶的速度，代入表達(dá)式進(jìn)行驗證。
4．誤差分析本實驗的誤差主要是紙帶測量產(chǎn)生的偶然誤差以及重物和紙帶運動中的空氣阻力及打點計時器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差。5．注意事項(1)安裝打點計時器時，要使兩限位孔的中線在同一豎直線上，以減小摩擦阻力。(2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物。
案例2　研究沿斜面下滑物體的機(jī)械能1．實驗器材氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字計時器、帶有遮光條的滑塊。2．實驗步驟如圖所示，把氣墊導(dǎo)軌調(diào)成傾斜狀態(tài)，滑塊沿傾斜的氣墊導(dǎo)軌下滑時，忽略空氣阻力，重力勢能減小，動能增大。測量兩光電門之間高度差Δh和滑塊通過兩個光電門時的速度v1、v2，代入表達(dá)式驗證。
4．誤差分析兩光電門之間的距離稍大一些，可以減小誤差；遮光條的寬度越小，誤差越小
　　　　　如圖所示為用打點計時器驗證機(jī)械能守恒定律的實驗裝置。
考點一　實驗原理及操作步驟
(1)在“驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗中，下列物理量中要用工具測量和通過計算得到的有(　 　)A．重錘的質(zhì)量B．重力加速度C．重錘下落的高度D．與重錘下落高度對應(yīng)的重錘瞬時速度
(2)有同學(xué)按以下步驟進(jìn)行實驗操作：A．用天平稱出重錘和夾子的質(zhì)量；B．固定好打點計時器，將連著重錘的紙帶穿過限位孔，用手提住，且讓手盡量靠近打點計時器；C．松開紙帶，接通電源，開始打點。并如此重復(fù)多次，以得到幾條打點紙帶；D．取下紙帶，挑選點跡清晰的紙帶，記下起始點O，在距離O點較近處選擇連續(xù)幾個計數(shù)點(或計時點)，并計算出各點的速度值；
在以上步驟中，不必要的步驟是_____；有錯誤或不妥的步驟是________(填寫代表字母)；更正情況是①_______________________________________________，②_______________________________，③__________________________，④__________________________。
B中手應(yīng)抓住紙帶末端讓重錘盡量靠近打點計時器　C中應(yīng)先接通電源，再松開紙帶　D中應(yīng)選取離O點較遠(yuǎn)的點　
(3)實驗時，應(yīng)使打點計時器的兩個限位孔在同一豎直線上，這樣做可以________(選填“消除”“減小”或“增大”)紙帶與限位孔之間的摩擦。(4)在實際測量中，重物減少的重力勢能通常會__________(選填“略大于”“等于”或“略小于”)增加的動能。
有錯誤或不妥的步驟是B、C、D、F。原因和更正辦法分別是：①B中“讓手盡量靠近打點計時器”應(yīng)改為“讓重錘盡量靠近打點計時器”。因打點計時器應(yīng)從與重錘靠近的紙帶處開始打點，不致留下過長的空白紙帶，紙帶也不宜過長，約40 cm即可。②C中應(yīng)先接通電源，后松開紙帶。因為只有當(dāng)打點計時器工作正常后再讓重錘下落，才可保證打第一個點時重錘的初速度為零，并且使紙帶上的第一個點是清晰的小點。
③D中應(yīng)將“距離O點較近處”改為“距離O點較遠(yuǎn)處”。因為所取的各計數(shù)點應(yīng)盡量是重錘自由下落運動的真實記錄，而打點計時器接通電源開始工作后不一定很快就能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時開始的幾個點比較密集，會增加長度測量的誤差。
(3)打點計時器的兩個限位孔如果不在同一豎直線上，紙帶運動中就會與限位孔之間有摩擦，重物下落時要克服這個摩擦阻力做功，重力勢能不能全部轉(zhuǎn)化為動能，實驗存在誤差，紙帶與限位孔之間的摩擦是無法避免的，這樣做只能減小紙帶與限位孔之間的摩擦。(4)實際實驗中，重錘要受到空氣阻力，紙帶和打點計時器的振針和限位孔之間有摩擦力，故重物下落時要克服這些阻力做功，重力勢能不能全部轉(zhuǎn)化為動能，有一小部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故重物減少的重力勢能通常會略大于增加的動能。
　　　　　(2021·福建省福州格致中學(xué)高一月考)如圖是用“落體法”驗證機(jī)械能守恒定律的實驗裝置如圖甲所示。(g取9.8 m/s2)
(1)選出一條清晰的紙帶如圖乙所示，其中O點為打點計時器打下的第一個點，A、B、C為三個計數(shù)點，打點計時器通過頻率為50 Hz的交變電流。用刻度尺測得OA＝15.55 cm，OB＝19．20 cm，OC＝23.23 cm，重錘的質(zhì)量為1.00 kg，(g取9.8 m/s2)。甲同學(xué)根據(jù)以上數(shù)據(jù)算出：當(dāng)打點計時器打到B點時重錘的重力勢能比開始下落時減少了_________ J；此時重錘的速度為_________m/s。(結(jié)果均保留三位有效數(shù)字)
該同學(xué)做實驗時先釋放了紙 　
帶，然后才合上打點計時器的開關(guān)　
(2021·渝中區(qū)重慶巴蜀中學(xué)高一月考)如圖甲所示，氣墊導(dǎo)軌軌道上有很多小孔，氣泵送來的壓縮空氣從小孔噴出，使得滑塊與導(dǎo)軌之間有一層薄薄的空氣層，兩者不會直接接觸，這樣滑塊在導(dǎo)軌上運動時受到的阻力很小，幾乎可以忽略，光電門由光源和光敏管組成，光源和光敏管相對，光源射出的光使光敏管感光。當(dāng)滑塊經(jīng)過光電門時，其上的遮光片把光遮住光敏管相連的電子電路自動記錄遮光時間，并通過數(shù)碼屏顯示出來，根據(jù)遮光條的寬度和遮光時間，可以算出滑塊經(jīng)過光電門時的速度。
某物理興趣小組同學(xué)為了驗證物體沿光滑斜面下滑過程機(jī)械能守恒，利用氣墊導(dǎo)軌和光電門設(shè)計了如圖乙所示的實驗裝置，在導(dǎo)軌左端某位置裝上光電門P，將原來已調(diào)至水平的氣墊導(dǎo)軌的右端適當(dāng)墊高，設(shè)軌道與水平桌面的夾角為θ，滑塊和遮光片的總質(zhì)量為M，遮光片的寬度為d，重力加速度為g，若測得滑塊釋放點距離光電門的距離為l，滑塊經(jīng)過光電門的遮光時間為t，則(以下3問均用題目中所給字母表示)：
(1)滑塊經(jīng)過P點的速度為_________；(2)滑塊從釋放點到經(jīng)過光電門P的過程中，滑塊的重力勢能的減少量為____________；(3)若表達(dá)式___________________在誤差允許的范圍內(nèi)成立，則可驗證物體在光滑斜面上下滑時機(jī)械能守恒。
1．(2021·沙洋縣沙洋中學(xué)高一月考)某實驗小組利用圖示甲裝置驗證機(jī)械能守恒定律。實驗中先接通電磁打點計時器的低壓交流電源，然后釋放紙帶。打出的紙帶如圖乙所示，選取紙帶上打出的連續(xù)五個點A、B、C、D、E，測出A點距起點O的距離為x0，點A、C間的距離為x1，點C、E間的距離為x2。已知重物的質(zhì)量為m，交流電的頻率為f，從釋放紙帶到打出點C：
(1)重物減少的重力勢能ΔEp＝______________，增加的動能為ΔEk＝___________。若算得的ΔEp和ΔEk值很接近，則說明在誤差允許的范圍內(nèi)，重物下落過程中機(jī)械能守恒。(2)一般來說，實驗中測得的ΔEp________ΔEk(填“大于”、“等于”“小于”)，這是因為____________________。
2．(2021·福建省武平縣第一中學(xué)高一月考)在“驗證機(jī)械能守恒定律”的實驗中，質(zhì)量m＝0.500 kg的重錘拖著紙帶下落，在此過程中，打點計時器在紙帶上打出一系列的點。在紙帶上選取五個連續(xù)的點A、B、C、D和E，如圖所示。其中O為重錘開始下落時記錄的點，各點到O點的距離分別是31.4 mm、49.0 mm、70.5 mm、95.9 mm、124.8 mm。當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭＝9.8 m/s2，本實驗所用電源的頻率f＝50 Hz。(結(jié)果保留三位有數(shù)數(shù)字)
(1)打點計時器打下點B時，重錘下落的速度vB＝__________m/s。(2)從打下點B到打下點D的過程中，重錘重力勢能的減少量ΔEp＝__________J，重錘動能的增加量ΔEk＝__________J。(3)在誤差允許范圍內(nèi)，通過比較______________________________就可以驗證重錘下落過程中機(jī)械能守恒了。
重力勢能的減小量和動能的增加量　

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