高中物理实验报告集锦05科学验证：机械能守恒定律-高中物理实验报告集锦学案

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在只有重力或弹力做功的情况下，物体系统的机械能是守恒的。我们已经从理论上推导出了机械能守恒定律，现在用实验进行验证。
一、实验目的
(1 )验证机械能守恒定律。
(2)进一步熟悉打点计时器的使用。
二、实验器材
铁架台、打点计时器、交流电源、纸带、重物、天平、砝码、刻度尺。
三、实验原理与设计
实验装置如图1-27所示。让带有纸带的重物自由下落，利用打点计时器记录重物下落过程中的运动情况。选取纸带上的某点作为高度的起点，量出纸带上其他点相对该点的距离作为高度。用天平称出重物的质量，算出重物经过这些点的重力势能。再计算重物经过这些点的瞬时速度，算出动能。最后，通过比较重物经过这些点的机械能，得出实验结论。
四、实验步骤
(1 )使用天平称出重物质量。
(2)纸带一端吊重物， 另一端穿过打点计时器。手提纸带,使重物靠近打点计时器并静止。接通电源，松开纸带,让重物自由落下。
(3)取下纸带并选其中一个点作为参考点，设打该点时重物的重力势能0，计算打该点时重物的动能，它就是重物下落过程中动能与重力势能的总和。
(4)分别计算纸带上其他各点对应的重物的动能和重力势能之和。
五、数据分析
请将测量的数据记人你设计的表格中，并分析数据，形成结论。（见例题）
六、实验结论
在实验误差范围内，重物下落过程符合机械能守恒定律。
七、讨论
(1)引起实验误差的主要因素有哪些?如何减小实验误差?
引起实验误差的主要因素:重物要克服空气阻力和摩擦力做功. 减小实验误差方法：重物比重要大，且表面光滑，空气阻力做功相对较小。打点计时器与纸带的摩擦力尽可能小。
(2 )若实验中不测量重物质量，还能验证机械能守恒定律吗？
根据mgh=12mv2，得gh=12v2，所以实验中不测量重物质量，还能验证机械能守恒定律。
（3）你能设计其他方案验证机械能守恒定律吗？
能。如斜面实验，平抛运动等，
八、安全警示
使用打点计时器时注意用电安全。释放重物时不要让重物碰到人或实验台。
九、素养提升
能提出实验中可能出现的物理问题；能在他人帮助下设计实验方案，获取数据；能分析数据，验证机械能守恒定律；能反思实验过程，尝试减小实验误差；能撰写比较完整的实验报告；在报告中能呈现实验表格及数据分析过程；能尝试利用数据进行交流。
注意提升提出问题，分析论证及反思评估的能力。
——科学探究
能在熟悉的问题情境中运用机械能守恒定律解决问题时建构物理模型，会分析机械能守恒的条件;能从机械能守恒的角度分析动力学问题，通过推理，获得结论;能用与机械能守恒定律等相关的证据说明结论;能从不同视角解决动力学问题。
——科学思维
例题1. 在“验证机械能守恒定律”的实验中，质量为lkg的重物自由下落，在纸带上打出一系列的点，其中O为第一个点，A、B、C为从合适位置开始选取的连续三个点，如图所示。相邻计数点间隔的时间为0.02 s,测量点间距所用单位为cm，取重力加速度g=9.8m/s2。(计算结果均保留3位有效数字)
打点计时器打下计数点B时，重物的速度是_____m/s
(2)从起点0到打下计数点B的过程中，重物重力势能的减少量是_____动能的增加量是_______.
(3)通过计算可知，在数值上△EP>△EK。这是因为_________.
例题2. 2020高考全国3卷第9题
某同学利用图（a）所示装置验证动能定理。调整木板的倾角平衡摩擦阻力后，挂上钩码，钩码下落，带动小车运动并打出纸带。某次实验得到的纸带及相关数据如图（b）所示。

已知打出图（b）中相邻两点的时间间隔为0.02 s，从图（b）给出的数据中可以得到，打出B点时小车的速度大小vB=_____m/s，打出P点时小车的速度大小vP=_____m/s（结果均保留2位小数）。
若要验证动能定理，除了需测量钩码的质量和小车的质量外，还需要从图（b）给出的数据中求得的物理量为_________。
例题3. 2019年高考江苏省物理卷第10题.（8分）
某兴趣小组用如图10-1所示的装置验证动能定理
（1）有两种工作频率均为50Hz的打点计时器供实验选用：
A.电磁打点计时器
B.电火花打点计时器
为使纸带在运动时受到的阻力较小，应选择_______(选填“A”或“B”)
(2)保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔。实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动。同学甲认为，此时摩擦力的影响已经得到消除。同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，
直至轻推小车观察到小车做匀速运动。看法正确的同学是______(选填“甲”或“乙”)。
（3）消除摩擦力的影响后，在砝码盘中加入砝码，接通打点计时器电源，松开小车，小车运动，纸带被打出一系列点，其中一段如题10-2图所示。图中纸带按实际尺寸画出，纸带上A点的速度=______m/s.
（4）测出小车的质量为M，再测出纸带上起点到A点的距离为L。小车动能的变化量可用算出。砝码盘中砝码的质量为m，重力加速度为g.实验中，小车的质量应(选填“远大于”、“远小于”或“接近”)砝码、砝码盘和沙子的总质量，小车所受合力的功可用算出。多次测量，若W与均基本相等则验证了动能定理。
例题4.2017年高考北京21题．（18分）
如图1所示，用质量为m的重物通过滑轮牵引小车，使它在长木板上运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况。利用该装置可以完成“探究动能定理”的实验。
（1）打点计时器使用的电源是 （选填选项前的字母）。
A．直流电源 B．交流电源
（2）实验中，需要平衡摩擦力和其他阻力。正确操作方法是 （选填选项前的字母）。
A．把长木板右端垫高 B．改变小车的质量
在不挂重物且 （选填选项前的字母）的情况下，轻推一下小车，若小车拖着纸带做匀速运动，表明已经消除了摩擦力和其他阻力的影响。
A．计时器不打点 B．计时器打点
（3）接通电源，释放小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，将打下的第一个点标为O。在纸带上依次取A、B、C……若干个计数点，已知相邻计数点间的时间间隔为T。测得A、B、C……各点到O点的距离为x1、x2、x3……，如图2所示。
实验中，重物质量远小于小车质量，可认为小车所受的拉力大小为mg，从打O点到打B点的过程中，拉力对小车做的功W= ，打B点时小车的速度v= 。
（4）以v2为纵坐标，W为横坐标，利用实验数据做出如图3所示的v2–W图像。由此图像可得v2随W变化的表达式为_________________。根据功与能的关系，动能的表达式中可能包含v2这个因子；分析实验结果的单位关系，与图线斜率有关的物理量应是_________。
（5）假设已经完全消除了摩擦力和其他阻力的影响，若重物质量不满足远小于小车质量的条件，则从理论上分析，图4中正确反映v2–W关系的是______________。
例题5. 2017年高考江苏10．（8分）
利用如题10-1图所示的实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系.小车的质量为M=200.0 g，钩码的质量为m=10.0 g，打点计时器的电源为50 Hz的交流电.
（1）挂钩码前，为了消除摩擦力的影响，应调节木板右侧的高度，直至向左轻推小车观察到_____________________.
（2）挂上钩码，按实验要求打出的一条纸带如题10-2图所示.选择某一点为O，一次每隔4个计时点取一个计数点.用刻度尺量出相邻计数点间的距离，记录在纸带上.计算打出各计数点时小车的速度v，其中打出计数点“1”时小车的速度v1=______m/s.
（3）将钩码的重力视位小车受到的拉力，取g=9.80 m/s，利用W=mg算出拉力对小车做的功W.利用算出小车动能，并求出动能的变化量.计算结果见下表.
请根据表中的数据，在答题卡的方格纸上作出图象.
（4）实验结果表明，总是略小于W.某同学猜想是由于小车所受拉力小于钩码重力造成的.用题中小车和钩码质量的数据可算出小车受到的实际拉力F=__________.
例题6.2021高考浙江6月卷（新高考）第17题.
在“验证机械能守恒定律”实验中，小王用如图1所示的装置，让重物从静止开始下落，打出一条清晰的纸带，其中的一部分如图2所示。O点是打下的第一个点，A、B、C和D为另外4个连续打下的点。
①为了减小实验误差，对体积和形状相同的重物，实验时选择密度大的理由是___________。
②已知交流电频率为，重物质量为，当地重力加速度，则从O点到C点，重物的重力势能变化量的绝对值_______J、C点的动能_________J（计算结果均保留3位有效数字）。比较与的大小，出现这一结果的原因可能是___________。
A.工作电压偏高 B.存在空气阻力和摩擦力 C.接通电源前释放了纸带
例题年高考天津9.（2）题
如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律。
①对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是______________。
A．重物选用质量和密度较大的金属锤
B．两限位孔在同一竖直面内上下对正
C．精确测量出重物的质量
D．用手托稳重物，接通电源后，撒手释放重物
②某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有____________。
A．OA、AD和EG的长度 B．OC、BC和CD的长度
C．BD、CF和EG的长度 C．AC、BD和EG的长度
【答案】9（2）①AB ②BC
（3）
（4）0.093
2.45
2.92
3.35
3.81
4.26
2.31
2.73
3.12
3.61
4.00