验证机械能守恒定律

自由落体 · mgh = ½mv² · 打点纸带 · 高中力学
高考必考
拖住重物松手释放 · 纸带打点后选计数点分析
50.0Hz 电源 打点计时器 OFF 点击开启 200g 拖住松手释放 mg h 纸带分析 释放重物后,点击纸带上的点选为计数点 0 2 4 6 8 10 cm

实验引导

1开启电源:点击电源开关
2释放重物:拖住重物松手自由下落
3选计数点:在纸带上点击选 5~6 个计数点
4分析数据:自动计算 v,对比 mgh 与 ½mv²
5拟合验证:v²-h 图斜率 ≈ 2g 则守恒成立

实时数据

势能减少 Δmgh
J
动能增加 Δ½mv²
J
重物 m200.0 g
已选计数点0 个
纸带状态待打点
建议选取更多计数点以提高精度

验证结果

h(cm)v(m/s)mgh(J)½mv²(J)
选计数点后自动填充
h / cm v² / (m/s)² 0 5 10 15 20 0 1 2 3 4

显示选项

力箭头
高度标注

机械能守恒定律

在只有重力做功的系统中,物体的动能和重力势能可以相互转化,但总机械能保持不变。

  • mgh — 重力势能减少量(选起始点为参考点)
  • ½mv² — 动能增加量
  • 若 mgh ≈ ½mv²,则验证了机械能守恒

实际实验中 mgh 略大于 ½mv²,因为纸带与限位孔间有摩擦力。

速度的求法(中间时刻法)

某计数点的瞬时速度等于相邻两计数点间距之和除以 2T。

  • T 为相邻计数点的时间间隔
  • sn 和 sn+1 为该点前后的间距

考点:中间时刻法求瞬时速度,是所有纸带类实验的通用方法。

误差分析

mgh > ½mv²? 正常!纸带穿过限位孔有摩擦,重力势能一部分转化为内能。

mgh < ½mv²? 异常!可能是纸带未夹紧、计数点选取有误、或测量读数错误。

v²-h 图斜率 ≠ 2g? 斜率偏小 → 摩擦较大;斜率偏大 → 数据有系统误差。

高考常考:分析实验误差来源及对结果的影响方向。

典型例题

题目:m=200g,纸带上相邻计数点间距依次为 s₁=2.40, s₂=3.20, s₃=4.00, s₄=4.80 cm(T=0.04s)。验证第 2 点到第 3 点过程中机械能是否守恒。

v₂ = (s₂+s₃)/(2T) = (3.20+4.00)/(2×0.04) = 90.0 cm/s = 0.900 m/s
v₃ = (s₃+s₄)/(2T) = (4.00+4.80)/(2×0.04) = 110.0 cm/s = 1.100 m/s
h = s₃ = 4.00 cm = 0.0400 m
mgh = 0.200×9.8×0.0400 = 0.0784 J
½mv₃² - ½mv₂² = ½×0.200×(1.100²-0.900²) = 0.0760 J
误差 = (0.0784-0.0760)/0.0784 = 3.1% → 守恒成立
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