第七章 机械能守恒定律

1 自主活动  探究重力势能的影响因素

活动指导

活动目的：

通过实验猜想重力势能与哪些因素有关。在分析过程中，强调证据与结论的一致性，从而引出控制变量的思想在本实验设计中的作用。

活动的装置如图 7 – 1 所示，实验时的具体操作如下：

（1）将泡沫板或沙盘置于桌面上。

（2）运用控制变量的思想设计实验操作步骤。

（3）操作实验，观察并记录凹痕的深浅程度。

（4）根据结果归纳结论。

思考

（1）能否根据结果猜想重力势能与哪些因素有关？若能，提出猜想；若不能，说明理由。

参考解答：能。重力势能与物体所受的重力和下落的高度有关。

命题意图：通过实验探究，猜想影响重力势能的因素。

（2）如何运用控制变量的思想设计实验方案？

参考解答：将同一个小球从不同高度释放，可以控制重力不变。将不同的小球从同一高度释放，可以控制高度不变。

命题意图：根据初步猜想设计实验方案进一步探究，理解控制变量思想的作用。

2 学生实验  验证机械能守恒定律

实验指导

1．实验说明

（1）验证机械能守恒定律实验装置的结构

如图 7 – 2 所示的实验装置可供选用。本装置包括摆锤（内置光电门传感器）、挡光片、连接杆、固定装置、底座、立柱等。

（2）实验装置的工作原理

由于连接杆的质量远小于摆锤质量，摆动过程中，连接杆的动能和重力势能可忽略，只要测量摆锤的动能和重力势能即可。

摆锤速度的测量：摆锤内置的光电门传感器可以测出摆锤经过每个挡光片的时间，进而得到摆锤的瞬时速度。

摆锤高度的测量与改变：6 块挡光片可用螺栓固定在不同位置并由板上刻度读出对应的高度，刻度对应的高度是光电门经过该位置时光孔（即挡光片上十字刻纹）的高度，相邻光孔之间的高度差为 0.5 cm。

2．实验操作

（1）将实验装置通过 USB 插口接入计算机。

（2）将6块挡光片固定在不同的位置并记录对应的高度，填入计算机中“高度 h/m”一行，如图 7 – 3 所示。

（3）释放摆锤，可以得到摆锤经过 6 个位置的瞬时速度大小，将各组数据记录到表中对应的位置。

（4）重新选择 6 个位置安装挡光片，记录对应高度，重复实验。

实验报告

实验名称

验证机械能守恒定律

实验目的

（1）设计实验方案，学习使用机械能实验装置。

（2）验证机械能守恒定律。

实验原理

在物体运动过程中，空气阻力和重力都对物体做功，当空气阻力远小于重力时，物体的机械能近似守恒。

为了验证机械能近似守恒，需要测量物体运动过程中经过不同位置时的动能 E_k 和重力势能 E_p，并验证各位置 E_k + E_p。是否近似保持不变。本实验通过测量物体运动的速度和高度的方法间接测量动能和重力势能。

实验器材

机械能守恒实验装置，计算机。

实验方法与步骤

挡光片宽度 d、摆锤的质量 m 已知。释放摆锤，光电门传感器可以分别测出摆锤经过 6 个位置的时间，由此计算摆锤的瞬时速度 v，进而得到摆锤经过 6 个位置的动能。通过读出 6 块挡光片所在位置的高度，可以得到摆锤在 6 个位置的重力势能。进一步分析数据可验证机械能守恒定律。

本实验的主要步骤如下：

（1）将 6 块挡光片固定在不同位置，记录各位置对应的高度。

（2）释放摆锤，测量并记录 6 个位置的瞬时速度大小。

（3）改变挡光片位置，重复实验。

实验数据记录

表7 – 1

挡光片宽度 d =____m，摆锤质量 m = ______kg

实验数据处理

通过计算机获得 6 个位置的动能 E_k、重力势能 E_p 和机械能 E，并在坐标系中显示 E_k、E_p 和 E 随高度变化的图像。（将实验图像粘贴在此处）

结果分析与实验结论

结论：___________________________________________________________________。

讨论与思考

（1）各组就实验数据进行交流、比较，分析实验结果的异同及其原因，探讨实验的改进方法。

参考解答：由于各组设置挡光片的位置可能不同，实验中摆锤在各位置的重力势能和动能不同。但重力势能与动能变化的趋势相同，且两者之和近似不变。仔细思考可能会发现，机械能在摆锤向下摆动过程中逐渐减小，这主要是克服空气阻力引起的。

就实验改进而言，一方面可以通过适当减小挡光片宽度来减小速度测量的误差，另一方面可以增加摆锤的质量来降低机械能损失的比例。

命题意图：能比较不同组的实验图像，细致分析实验结果，分析误差的成因并提出改进方案。

（2）若装置中仅提供一块挡光片，能否完成本实验？若能，写出实验方案；若不能，说明理由。

参考解答：能。分别将挡光片固定在 6 个不同位置，重复实验，得到的 6 组数据可以视为摆锤一次摆动过程中的结果。

命题意图：在理解实验原理的基础上，设计其他实验方案。

3 学期活动  解释交通法规中汽车刹车距离与车速之间的关系

活动内容与要求

车辆超速或两车间距离过短是导致交通事故，特别是追尾事故的重要原因之一。为了保证交通安全，我国道路交通安全法规规定：汽车在行驶过程中不得超过限速标志标明的最高车速，且车辆之间应该保持必要的安全距离，并对最高车速和安全距离作出了明确规定。

这是一个调查类活动，本活动要求：

（1）查阅资料或访问相关部门，收集交通法规中关于我国最高车速和安全车距的规定。

（2）运用动能定理分析数据，阐述我国交通法规中相关实施条例的制定依据。

活动指导

（1）以小组为单位（不超过 4 人）开展研究活动，成员有明确的分工。

（2）收集我国现行交通法规关于最高车速和安全车距的规定和数据：

①标明数据与资料的出处，如：“……”摘自《×××》第××页；

②将上述数据与资料按照一定的逻辑顺序排列（可以用图表的形式）；

③可进一步筛选与刹车距离或车速相关的其他规定并说明理由。例如，遇到车辆故障无法继续行驶时，应在车后 50 m 至 100 m 处设置警告标志等。

（3）收集其他必要信息，如刹车距离的影响因素、驾驶员的反应时间等，运用动能定理分析我国现行交通法规中的相关规定和数据。

（4）编制小报并交流。小报中至少应呈现：

①使用到的数据及出处；

②必要的理论分析过程；

③机动车安全驾驶宣传。

参考资料

法律法规内容可参考《中华人民共和国道路交通安全法》《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》。

评价量表

表7 – 2

发布时间：2022/3/10 下午9:35:37  阅读次数：2757