1、146 实验：验证机械能守恒定律方法点拨 要明确“谁”在“哪个过程”中机械能守恒，列出守恒方程，明确要测量的物理量1(2018湖北黄冈模拟)如图 1 甲所示，一位同学利用光电计时器等器材做“验证机械能守恒定律”的实验，有一直径为 d、质量为 m 的金属小球从 A 处由静止释放，下落过程中能通过 A 处正下方、固定于 B 处的光电门，测得 A、 B 间的距离为 H(Hd)，光电计时器记录下小球通过光电门的时间为 t，当地的重力加速度为 g.则：图 1(1)如图乙所示，用 20 分度的游标卡尺测得小球的直径 d_ cm.(2)多次改变高度 H，重复上述实验，作出 随 H 的变化图象如图丙所示，当图
2、中已知量1t2t0、 H0和重力加速度 g 及小球的直径 d 满足以下表达式：_(用t0、 H0、 g、 d 表示，四个量均取国际单位)时，可判断小球下落过程中机械能守恒(3)实验中发现动能增加量 Ek总是稍小于重力势能减少量 Ep，增加下落高度后，则 Ep Ek将_(选填“增加” “减小”或“不变”)2用如图 2 甲所示的实验装置验证机械能守恒定律实验时接通电源，质量为 m2的重物从高处由静止释放，质量为 m1的重物拖着纸带打出一系列的点，图乙是实验中打出的一条纸带， A 是打下的第 1 个点，计数点 E、 F、 G 到 A 点距离分别为 d1、 d2、 d3，每相邻两计数点的时间间隔为 T
3、，当地重力加速度为 g.(以下所求物理量均用已知符号表示)2图 2(1)在打点 A F 的过程中，系统动能的增加量 Ek_，系统重力势能的减少量 Ep_，比较 Ek、 Ep大小即可验证机械能守恒定律(2)某同学根据纸带算出各计数点速度，并作出 d 图象，如图丙所示，若图线的斜率v22k_，即可验证机械能守恒定律3(2017四川成都模拟)某小组同学用简易装置验证机械能守恒定律，他们找来一块平整且比较光滑的木板，从实验室借来打点计时器、刻度尺、小车和纸带他们把木板搭在台阶上如图 3 甲安装好实验器材，得到如图乙所示的一条纸带(1)在验证机械能是否守恒时，还需要测量台阶的高度 h 和台阶与地面间木板
4、的长度 L，已知纸带上相邻两计数点之间的时间间隔为 T，纸带上所标数据为已知量，可知该组同学需要验证的机械能守恒的表达式为_(用题中所给物理量的字母表示)图 3(2)在该实验中下列说法正确的是_A该实验中先接通电源，后释放小车B由于摩擦力对实验结果有影响，所以把木板搭在台阶上是为了平衡摩擦力3C由于阻力的存在，该实验中小车增加的动能一定小于小车减少的重力势能D在该实验中还需要用天平测量小车的质量4某同学利用如图 4 甲所示装置来验证机械能守恒定律，器材为：铁架台，约 50 cm 的不可伸长的细线，带孔的小铁球，光电门和计时器(可以记录挡光的时间)，量角器，刻度尺，游标卡尺实验前先查阅资料得到当
5、地的重力加速度为 g，再将细线穿过小铁球，悬挂在铁架台的横杆上，在小球轨迹的最低点安装好光电门，依次测量摆线的长度 l，摆球的直径 d，测量摆角 ，从静止开始释放小球，摆球通过光电门时记录时间 t.图 4(1)用 50 分度游标卡尺测量小球直径，刻度线如图乙(中间若干刻度线未画出)，则d_ cm.(2)若_等式在误差范围内成立，则验证了机械能守恒(用题中物理量符号表示)(3)除空气阻力以及量角器、刻度尺、游标卡尺测量产生的误差，再写出一个主要的误差来源：_.5为了验证机械能守恒定律，某研究性学习小组的同学利用透明直尺和光电计时器设计了一套实验装置，如图 5 所示当有不透光物体从光电门间通过时，
6、光电计时器就可以显示物体的挡光时间，所用的光电门传感器可测的最短时间为 0.01 ms.将具有很好挡光效果的宽度为 d3.810 3 m 的黑色磁带水平贴在透明直尺上实验时，将直尺从一定高度由静止释放，并使其竖直通过光电门某同学测得各段黑色磁带通过光电门的时间 ti与图中所示的高度差 hi，并将部分数据进行了处理，结果如下表所示(表格中 M 为直尺质量， g取 9.8 m/s2)4图 5 ti(103 s)vi (ms1d ti) Eki Mv Mv12 i2 12 12 hi(m)Mg hi1 1.21 3.132 1.15 3.31 0.58M 0.06 0.58M3 1.00 3.78
7、2.24M 0.23 2.25M4 0.95 4.00 3.10M 0.32 3.14M5 0.90 4.22 4.01M 0.41(1)从表格中数据可知，直尺上磁带通过光电门的瞬时速度是利用 vi 求出的，请你d ti简要分析该同学这样做的理由是_(2)请将表格中的数据填写完整：_.(3)通过实验得出的结论是_.(4)根据该实验，请你判断下列 Ek h 图象中正确的是( )5答案精析1(1)0.715 (2)2 gH0t02 d2 (3)增加解析 (1)由图可知，主尺刻度为 7 mm；游标对齐的刻度为 3；故读数为：7 mm30.05 mm7.15 mm0.715 cm.(2)若减小的重力势
8、能等于增加的动能时，可以认为机械能守恒；则有： mgH mv2，即：122gH0( )2，解得：2 gH0t02 d2.dt0(3)由于该过程中有阻力做功，而高度越高，阻力做功越多，故增加下落高度后， Ep Ek将增加2(1) ( m2 m1)gd2 (2) g m1 m2 d3 d1 28T2 m2 m1m1 m2解析 (1)打 F 点时的速度 vF ，因为打 A 点时的速度为零，所以系统动能的增加d3 d12T量 Ek (m1 m2)v ；系统重力势能的减少量 Ep( m2 m1)12 F2 m1 m2 d3 d1 28T2gd2.(2)根据系统机械能守恒可得( m2 m1)gd (m1
9、m2)v2，即在 d 图象中图线的斜率 k12 v22g.m2 m1m1 m23(1) gh d2 d3L d3 d4 28T2 d1 d2 28T2(2)AC解析 (1)要验证小车下滑过程中机械能守恒，则需要确定小车减少的重力势能与增加的动能是否近似相等从打点计时器打下 M 点到打下 N 点过程中，小车重力势能减少量为 Ep Mg(d2 d3) ，打点计时器打下 M 点时，小车的速度 vM ，打点计时器打下hL d1 d22TN 点时，小车的速度 vN ，因此小车增加的动能为 Ek M(vN2 vM2)，由机械能守d3 d42T 12恒定律有： Ep Ek，整理可得： .(2)使用gh d2
10、 d3L d3 d4 28T2 d1 d2 28T2打点计时器时需要先接通电源，后释放小车，A 项正确；此实验不需要平衡摩擦力，B 项错误；整个过程中只有重力和阻力做功，合外力做的功使小车动能增加，由于阻力的存在，小车增加的动能一定小于减少的重力势能，C 项正确；由(1)所得表达式可知，此实验不需要测量小车质量，D 项错64(1)2.058 (2) g(l )(1cos ) (3)光电门中心未完全与小球球心对齐(或细d2 d22t2线在摆动过程中长度发生变化)解析 (1)根据游标卡尺的读数规则知，游标卡尺的主尺读数为 20 mm，而游标尺读数为290.02 mm，故游标卡尺的读数为(20290.02) mm2.058 cm.(2)若机械能守恒，小球应满足 mg(l )(1cos ) mv2，而小球通过光电门的速度 vd2 12，两式整理得dtg(l )(1cos ) .d2 d22t2(3)产 生 误 差 的 原 因 ： 细 线 在 摆 动 过 程 中 长 度 发 生 变 化 或 光 电 门 中 心 未 完 全 与 小 球 球 心 对 齐等5(1)瞬时速度等于极短时间或极短位移内的平均速度 (2)4.02 M(3)在误差允许的范围内，重力势能的减少量等于动能的增加量(4)C
