高中物理 第四章 機(jī)械能和能源 5 實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律課件 教科版必修2

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1、第四章機(jī)械能和能源目標(biāo)定位1.驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.2.熟悉瞬時(shí)速度的測(cè)量方法.3.能正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，能定性地分析產(chǎn)生誤差的原因.實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律知識(shí)探究自我檢測(cè)一、實(shí)驗(yàn)原理知識(shí)探究1.在只有重力做功的自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體的重力勢(shì)能減少，動(dòng)能增加，如果重力勢(shì)能的減少量 動(dòng)能的增加量，就驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.2.兩種驗(yàn)證方案(1)若以重物下落的起始點(diǎn)O為基準(zhǔn)，設(shè)重物的質(zhì)量為m，測(cè)出重物自起始點(diǎn)O下落距離h時(shí)的速度v，則在誤差允許范圍內(nèi)，由計(jì)算得出 mgh，機(jī)械能守恒定律即被驗(yàn)證.等于(2)若以重物下落過程中的某一點(diǎn)A為基準(zhǔn)，設(shè)重物的質(zhì)量為m，測(cè)出重物對(duì)應(yīng)于A點(diǎn)的速度

2、vA，再測(cè)出重物由A點(diǎn)下落h后經(jīng)過B點(diǎn)的速度vB，則在誤差允許范圍內(nèi)，由計(jì)算得出 mgh，機(jī)械能守恒定律即被驗(yàn)證.二、實(shí)驗(yàn)器材鐵架臺(tái)(帶鐵夾)、電火花計(jì)時(shí)器、重物(帶夾子)、 、導(dǎo)線、毫米刻度尺、交流電源(220 V).紙帶三、實(shí)驗(yàn)步驟1.安裝置：按圖1甲把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝在鐵架臺(tái)上，用導(dǎo)線把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與電源連接好.圖12.打紙帶：在紙帶的一端用夾子把重物固定好，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物停靠在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器附近.先接通電源后放開紙帶，讓重物拉著紙帶自由下落.重復(fù)幾次，得到35條打好點(diǎn)的紙帶.3.選紙帶：從打好點(diǎn)的紙帶中挑選點(diǎn)跡清晰且開始的兩點(diǎn)間距接近2 mm的一條紙帶，在

3、起始點(diǎn)標(biāo)上0，以后任取間隔相同時(shí)間的點(diǎn)依次標(biāo)上1、2、3.4.測(cè)距離：用刻度尺測(cè)出0到1、2、3的距離，即為對(duì)應(yīng)下落的高度h1、h2、h3.四、數(shù)據(jù)處理1.計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度：根據(jù)公式vn ，計(jì)算出1、2、3、n點(diǎn)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3、vn.2.機(jī)械能守恒驗(yàn)證：方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn).從起始點(diǎn)到第n個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為mghn，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證.方法二：任取兩點(diǎn)A、B.從A點(diǎn)到B點(diǎn)，重力勢(shì)能減少量為mghABmghAmghB，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證.方法三：圖像法.圖2以各計(jì)數(shù)點(diǎn)到第一個(gè)點(diǎn)的距離h為橫軸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出 v2h圖線(如圖2).若在誤差允許范圍內(nèi)圖

4、像是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.五、誤差分析1.本實(shí)驗(yàn)的誤差主要是由紙帶測(cè)量產(chǎn)生的偶然誤差以及重物和紙帶運(yùn)動(dòng)中的空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差.2.測(cè)量時(shí)采取多次測(cè)量求平均值的方法來減小偶然誤差，安裝打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)使兩限位孔中線豎直，并且選擇質(zhì)量適當(dāng)大些、體積盡量小些的重物來減小系統(tǒng)誤差.六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器安裝要穩(wěn)固，并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，增大重力可使阻力的影響相對(duì)減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力相對(duì)減小.3.實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后再松開紙帶讓重物下落.例1

5、某同學(xué)利用重物自由下落來“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3甲所示.典例精析圖3(1)請(qǐng)指出實(shí)驗(yàn)裝置中存在的明顯錯(cuò)誤： .解析從題圖甲中的實(shí)驗(yàn)裝置中發(fā)現(xiàn)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在了“直流電源”上，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作電源是“交流電源”.因此，明顯的錯(cuò)誤是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器不能接在“直流電源”上.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器不能接“直流電源”(或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)接“交流電源”)(2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，為保證重物下落時(shí)初速度為零，應(yīng)_(選填“A”或“B”).A.先接通電源，再釋放紙帶B.先釋放紙帶，再接通電源解析為了使紙帶上打下的第1個(gè)點(diǎn)是速度為零的初始點(diǎn)，應(yīng)該先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后，再釋放紙帶.若先釋放紙帶，再接通電源，當(dāng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)

6、器打點(diǎn)時(shí)，紙帶已經(jīng)下落，打下的第1個(gè)點(diǎn)的速度不為零.A(3)根據(jù)打出的紙帶，選取紙帶上連續(xù)打出的1、2、3、4四個(gè)點(diǎn)如圖乙所示.已測(cè)出1、2、3、4到打出的第一個(gè)點(diǎn)O的距離分別為h1、h2、h3、h4，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為T.若代入所測(cè)數(shù)據(jù)能滿足表達(dá)式gh3 ，則可驗(yàn)證重物下落過程機(jī)械能守恒(用題目中已測(cè)出的物理量表示).根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律關(guān)系式可得，就可驗(yàn)證重物下落過程中機(jī)械能守恒.例2用如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.實(shí)驗(yàn)所用的電源為學(xué)生電源，輸出電壓為6 V的交流電和直流電兩種.重物從高處由靜止開始下落，重物拖著的紙帶上打出一系列的點(diǎn)，對(duì)紙帶上的點(diǎn)痕進(jìn)行測(cè)量及相關(guān)計(jì)算，即可

7、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.圖4(1)下面列舉了該實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)操作步驟：A.按照?qǐng)D示的裝置安裝器件；B.將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接到電源的“直流輸出”上；C.用天平測(cè)出重物的質(zhì)量；D.釋放懸掛紙帶的夾子，同時(shí)接通電源開關(guān)打出一條紙帶；E.測(cè)量紙帶上某些點(diǎn)間的距離；F.根據(jù)測(cè)量的結(jié)果計(jì)算重物下落過程中減少的重力勢(shì)能是否等于增加的動(dòng)能.其中沒有必要進(jìn)行或者操作不當(dāng)?shù)牟襟E是 .BCD(2)在一次實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量為m的重物自由下落，在紙帶上打出一系列的點(diǎn)，如圖乙所示(相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.02 s)，長(zhǎng)度單位cm，那么從起點(diǎn)O到打下計(jì)數(shù)點(diǎn)B的過程中重力勢(shì)能的減少量Ep J，此過程中重物動(dòng)能的增加量Ek J(g取9.8 m/

8、s2，結(jié)果數(shù)據(jù)均保留至小數(shù)點(diǎn)后兩位)；通過計(jì)算，數(shù)值上Ep Ek(填“”“”或“”)，這是因?yàn)?.0.49m0.48m紙帶和重物運(yùn)動(dòng)過程中受到阻力的作用例3在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量為m1 kg 的重物拖著紙帶下落，在此過程中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列的點(diǎn)，在紙帶上選取五個(gè)連續(xù)的點(diǎn)A、B、C、D和E，如圖5所示.其中O為重物開始下落時(shí)記錄的點(diǎn)，各點(diǎn)到O點(diǎn)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10 m/s2.本實(shí)驗(yàn)所用電源的頻率f50 Hz.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)圖5(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下點(diǎn)B時(shí)，重物下落的速度v

9、B m/s，打 點(diǎn) 計(jì) 時(shí) 器 打 下 點(diǎn)D時(shí) ， 重 物 下 落 的 速 度 vD m/s.答案見解析(2)從打下點(diǎn)B到打下點(diǎn)D的過程中，重物重力勢(shì)能減小量Ep J，重物動(dòng)能增加量為Ek .解析EpmghBD110(95.949.0)103 J0.469 J答案見解析自我檢測(cè)1.如圖6是用自由落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律時(shí)得到的一條紙帶.有關(guān)尺寸已在圖中注明.我們選取n點(diǎn)來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.下面列舉一些計(jì)算n點(diǎn)速度的方法，其中正確的是()圖6A.n點(diǎn)是第n個(gè)點(diǎn)，則vngnTB.n點(diǎn)是第n個(gè)點(diǎn)，則vng(n1)T答案CD2.在“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)中，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源的頻率為50 H

10、z，查得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭9.8 m/s2，某同學(xué)選擇了一條理想的紙帶，用刻度尺測(cè)量時(shí)各計(jì)數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)刻度尺上的讀數(shù)如圖7所示，圖中O點(diǎn)是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的第一個(gè)點(diǎn)，A、B、C、D分別是每打兩個(gè)點(diǎn)取的計(jì)數(shù)點(diǎn).則重物由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)(重物質(zhì)量為m kg)圖7(1)重力勢(shì)能的減少量是 J.動(dòng)能的增加量是 J.解析重力勢(shì)能的減少量為EpmghOBm9.80.195 J1.911m J.重物下落到B點(diǎn)時(shí)的速度為所以重物從開始下落到B點(diǎn)增加的動(dòng)能為1.89m1.911m(2)根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)得出的結(jié)論： .解析從以上計(jì)算的數(shù)據(jù)得出在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)重物減少的重力勢(shì)能等于其增加的動(dòng)能，即機(jī)械能守恒. 在實(shí)驗(yàn)誤

11、差允許的范圍內(nèi)重物減少的重力勢(shì)能等于其增加的動(dòng)能，即機(jī)械能守恒3.如圖8為利用氣墊導(dǎo)軌(滑塊在該導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)時(shí)所受阻力可忽略)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置，完成以下填空.圖8實(shí)驗(yàn)步驟如下：將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，將導(dǎo)軌調(diào)至水平.測(cè)出擋光條的寬度l和兩光電門中心之間的距離s.將滑塊移至光電門1左側(cè)某處，待砝碼靜止不動(dòng)時(shí)，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過光電門2.讀出滑塊分別通過光電門1和光電門2的擋光時(shí)間t1和t2.用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量m.滑塊通過光電門1和光電門2時(shí)，可以確定系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動(dòng)能分別為Ek1 和Ek2 .解析滑塊通過光電門的速度在滑塊從光電門1運(yùn)動(dòng)到光電門2的過程中，系統(tǒng)勢(shì)能的減少量Ep .(重力加速度為g)解析系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量等于托盤和砝碼重力勢(shì)能的減少量Epmgs.如果滿足關(guān)系式 ，則可認(rèn)為驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.解析若EpEk2Ek1，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.mgsEpEk2Ek1