2018-2019學(xué)年高中物理 第4章 能量守恒與可持續(xù)發(fā)展 4.2.2 研究機(jī)械能守恒定律(二)課件 滬科版必修2.ppt

4.2.2 研究機(jī)械能守恒定律(二),第4章,實(shí)驗(yàn)探究：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,學(xué)習(xí)目標(biāo),1.理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，明確實(shí)驗(yàn)中需要直接測量的物理量. 2.知道實(shí)驗(yàn)中選取測量點(diǎn)的有關(guān)要求，會根據(jù)紙帶測定物體下落的高度，掌握測量瞬時速度的方法. 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.,內(nèi)容索引,題型演練 學(xué)以致用 實(shí)訓(xùn)演練,達(dá)標(biāo)檢測 檢測評價(jià) 達(dá)標(biāo)過關(guān),技能儲備 明確原理 提煉方法,技能儲備,一、實(shí)驗(yàn)原理,只有重力對物體做功的過程，比較物體重力勢能的變化量與動能變化量，若滿足 ，則說明機(jī)械能守恒.,二、兩種驗(yàn)證方案,方案一 用單擺和DIS裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒 1.實(shí)驗(yàn)步驟 (1)如圖1，在鐵架臺上端用鐵架懸掛一個擺球. (2)在方格紙上確定4至5個點(diǎn)作為測量點(diǎn). (3)安裝光電傳感器，并使之與數(shù)據(jù)采集器相連接.,圖1,EpEk,(4)讓擺球從某一高度向下擺動.分別測定擺球在擺動過程中任意時刻的動能和重力勢能. (5)研究每一個測量點(diǎn)上機(jī)械能的總量有什么特點(diǎn). 2.注意事項(xiàng) (1)小球運(yùn)動時，應(yīng)使其軌跡在一豎直面內(nèi)，避免做圓錐擺運(yùn)動. (2)調(diào)整帶方格紙的木板，應(yīng)使其豎線在豎直方向上. (3)為準(zhǔn)確測定小球在各位置的瞬時速度，可在小球下部安置一塊擋光片，并確保擋光片在豎直面內(nèi).,方案二 用自由落下的重物和打點(diǎn)計(jì)時器驗(yàn)證機(jī)械能守恒 1.實(shí)驗(yàn)步驟 (1)安裝置：按圖2甲把打點(diǎn)計(jì)時器安裝在鐵架臺上，用導(dǎo)線把打點(diǎn)計(jì)時器與電源連接好.,圖2,(2)打紙帶：在紙帶的一端把重物用夾子固定好，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時器的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時器附近.先接通電源后放手，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，在起始點(diǎn)標(biāo)上0，以后任取間隔相同時間的點(diǎn)依次標(biāo)上1、2、3. (4)測距離：用刻度尺測出0到1、2、3的距離，即為對應(yīng)下落的高度h1、h2、h3. 2.數(shù)據(jù)處理 (1)計(jì)算各點(diǎn)對應(yīng)的瞬時速度：根據(jù)公式vn ，計(jì)算出1、2、3n點(diǎn)的瞬時速度v1、v2、v3vn.,(2)機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證 方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn). 如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)ghn vn2，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證. 方法二：任取兩點(diǎn)A、B. 如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)ghAB ，則機(jī)械 能守恒定律得到驗(yàn)證. 方法三：圖像法(如圖3所示).,圖3,若在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)圖線是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.,3.誤差分析 本實(shí)驗(yàn)的誤差主要是由紙帶測量產(chǎn)生的偶然誤差以及重物和紙帶運(yùn)動中的空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差. 4.注意事項(xiàng) (1)打點(diǎn)計(jì)時器安裝要穩(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減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力相對減小.,(3)實(shí)驗(yàn)時，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時器正常工作后再松開紙帶讓重物下落. (4)本實(shí)驗(yàn)中的兩種驗(yàn)證方法均不需要測重物的質(zhì)量m.,題型演練,例1 在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中有位同學(xué)按以下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作： A.用天平稱出重錘和夾子的質(zhì)量； B.固定好打點(diǎn)計(jì)時器，將連著重錘的紙帶穿過限位孔，用手提住，且讓手盡量 靠近打點(diǎn)計(jì)時器； C.松開紙帶，接通電源，開始打點(diǎn).并如此重復(fù)多次，以得到多條打點(diǎn)紙帶； D.取下紙帶，挑選點(diǎn)跡清晰且開始的兩點(diǎn)間距接近2 mm的紙帶，記下起始點(diǎn) O，在距離O點(diǎn)較近處選擇幾個連續(xù)的計(jì)數(shù)點(diǎn)(或計(jì)時點(diǎn))，并計(jì)算出各點(diǎn)的 速度值； E.測出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離，即得到重錘的下落高度；,一、實(shí)驗(yàn)原理及基本操作,在以上步驟中，不必要的步驟是_. 有錯誤或不妥的步驟是_.(填寫代表字母) 更正情況是： _； _； _； _.,答案,A,BCDF,B中手應(yīng)抓住紙帶末端，讓重錘盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時器 C中應(yīng)先接通電源，再松開紙帶 D中應(yīng)選取離O點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn),解析,解析 A步驟不必要，不稱量重錘的質(zhì)量也可驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律； B步驟中應(yīng)讓重錘盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時器，而不是手靠近； C步驟中應(yīng)先接通電源，后釋放紙帶； D步驟中應(yīng)選取離O點(diǎn)較遠(yuǎn)的點(diǎn)，這樣測量時距離較遠(yuǎn)，測量的相對誤差較??；,針對訓(xùn)練 (多選)用自由落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，就是看 mvn2是否等于mghn(n為計(jì)數(shù)點(diǎn)的編號0、1、2n).下列說法中正確的是 A.打點(diǎn)計(jì)時器打第一個點(diǎn)0時，重物的速度應(yīng)為零 B.hn是計(jì)數(shù)點(diǎn)n到起始點(diǎn)0的距離 C.必須測量重物的質(zhì)量 D.用vngtn計(jì)算vn時，tn(n1)T(T為打點(diǎn)周期),答案,解析,解析 本實(shí)驗(yàn)的原理是利用重物的自由落體運(yùn)動來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，因此打點(diǎn)計(jì)時器打第一個點(diǎn)時，重物運(yùn)動的速度應(yīng)為零，A正確； hn與vn分別表示打第n個點(diǎn)時重物下落的高度和對應(yīng)的瞬時速度，B正確；,例2 某實(shí)驗(yàn)小組“用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4甲所示.實(shí)驗(yàn)中測出重物自由下落的高度h及對應(yīng)的瞬時速度v，計(jì)算出重物,二、數(shù)據(jù)處理及誤差分析,圖4,減少的重力勢能mgh和增加的動能 mv2，然后進(jìn)行比較，如果兩者相等或近似相等，即可驗(yàn)證重物自由下落過程中機(jī)械能守恒.請根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和步驟完成下列問題：,(1)關(guān)于上述實(shí)驗(yàn)，下列說法中正確的是_. A.重物最好選擇密度較小的木塊 B.重物的質(zhì)量可以不測量 C.實(shí)驗(yàn)中應(yīng)先接通電源，后釋放紙帶 D.可以利用公式v 來求解瞬時速度,答案,解析,解析 重物最好選擇密度較大的鐵塊，故A錯誤. 本題是以自由落體運(yùn)動為例來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，需要驗(yàn)證的方程是mgh mv2，因?yàn)槲覀兪潜容^mgh、 mv2的大小關(guān)系，故m可約去，不需要用天平測量重物的質(zhì)量，操作時應(yīng)先接通電源，再釋放紙帶，故B、C正確. 不能利用公式v 來求解瞬時速度，否則體現(xiàn)不了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，卻變成了理論推導(dǎo)，故D錯誤.,(2)如圖乙是該實(shí)驗(yàn)小組得到的一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，紙帶上的O點(diǎn)是起始點(diǎn)，選取紙帶上連續(xù)的點(diǎn)A、B、C、D、E、F作為計(jì)數(shù)點(diǎn)，并測出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離依次為27.94 cm、32.78 cm、38.02 cm、43.65 cm、49.66 cm、56.07 cm.已知打點(diǎn)計(jì)時器所用的電源是50 Hz的交流電，重物的質(zhì)量為0.5 kg，則從計(jì)時器打下點(diǎn)O到打下點(diǎn)D的過程中，重物減小的重力勢能Ep_ J；重物增加的動能Ek_ J，兩者不完全相等的原因可能是_.(重力加速度g取9.8 m/s2，計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字),重物下落過程中受到阻力作用,2.14,2.12,答案,解析,解析 重力勢能減小量Epmgh0.59.80.436 5 J2.14 J.利用勻變速直線運(yùn)動的推論：,動能增加量EkEkD02.12 J.由于存在阻力作用，所以減小的重力勢能大于增加的動能.,(3)實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)又正確計(jì)算出圖乙中打下計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F各點(diǎn)的瞬時速度v，以各計(jì)數(shù)點(diǎn)到A點(diǎn)的距離h為橫軸，v2為縱軸作出圖像，如圖丙所示，根據(jù)作出的圖線，能粗略驗(yàn)證自由下落的物體機(jī)械能守恒的依據(jù)是_ _.,圖像的斜率等于19.52，約為重力加速度g的兩倍，故能,驗(yàn)證,當(dāng)圖像的斜率為重力加速度的2倍時，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒，而圖像的斜率k 19.52；因此能粗略驗(yàn)證自由下落的物體機(jī)械能守恒.,答案,解析,例3 利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖5所示.,三、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),圖5,(1)實(shí)驗(yàn)步驟： 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. 用游標(biāo)卡尺測出擋光條的寬度l9.30 mm. 由導(dǎo)軌標(biāo)尺讀出兩光電門中心間的距離s_ cm.,60.00(59.9660.04),解析 距離s80.30 cm20.30 cm60.00 cm.,答案,解析,將滑塊移至光電門1左側(cè)某處，待砝 碼靜止時，釋放滑塊，要求砝碼落地 前擋光條已通過光電門2. 從數(shù)字計(jì)時器(圖中未畫出)上分別 讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時間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. (2)用表示直接測量量的字母寫出下列物理量的表達(dá)式. 滑塊通過光電門1和光電門2時，瞬時速度分別為v1_和v2_.,答案,解析,解析 由于擋光條寬度很小，因此可以將擋光條通過光電門時的平均速度當(dāng)成瞬時速度，擋光條的寬度l可用游標(biāo)卡尺測量，擋光時間t可從數(shù)字計(jì)時器上讀出.因此，滑塊通過光電門1和光電門2時的瞬時速度分別為,當(dāng)滑塊通過光電門1和光電門2時，系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動能分別為Ek1_和Ek2_.,答案,解析,解析 當(dāng)滑塊通過光電門1和光電門2時，系統(tǒng)的總動能分別為,在滑塊從光電門1運(yùn)動到光電門2的過程 中，系統(tǒng)重力勢能的減少量Ep_ (重力加速度為g).,答案,解析,mgs,解析 在滑塊從光電門1運(yùn)動到光電門2的過程中，系統(tǒng)重力勢能的減少量Epmgs.,(3)如果Ep_，則可認(rèn)為驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.,Ek2Ek1,解析 如果在誤差允許的范圍內(nèi)EpEk2Ek1，則可認(rèn)為驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.,達(dá)標(biāo)檢測,1.(實(shí)驗(yàn)器材及誤差分析)如圖6為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.現(xiàn)有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺、電磁打點(diǎn)計(jì)時器、紙帶、帶鐵夾的重錘.回答下列問題： (1)為完成此實(shí)驗(yàn)，除了所給的器材，還需要的器 材有_.(填入正確選項(xiàng)前的字母) A.米尺 B.秒表 C.6 V直流電源 D.6 V交流電源,答案,解析,1,2,圖6,解析 在處理數(shù)據(jù)時需要測量長度，故需要米尺；電磁打點(diǎn)計(jì)時器工作時需要使用6 V交流電源；所以選項(xiàng)A、D正確.,(2)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生誤差的原因有：_ _ _ _(寫出兩個原因即可).,答案,解析,1,2,解析 造成誤差的原因有：紙帶和打點(diǎn)計(jì)時器之間有摩擦. 用米尺測量紙帶上點(diǎn)的位置時讀數(shù)有誤差. 計(jì)算勢能變化時，選取始末位置過近.,紙帶和打點(diǎn)計(jì)時器,之間有摩擦.用米尺測量紙帶上點(diǎn)的位置時讀數(shù)有誤差.計(jì)算勢能變化時，選取始末位置過近.(任選其二),答案,解析,1,2,(3)實(shí)驗(yàn)中由于打點(diǎn)計(jì)時器兩限位孔不在同一豎直線上，使紙帶通過時受到較大阻力，這樣將造成_.,解析 由于阻力的作用，物體重力勢能的減少量大于動能的增加量，即mgh> mv2，選項(xiàng)B正確.,2.(數(shù)據(jù)處理)用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中： (1)運(yùn)用公式 mgh對實(shí)驗(yàn)條件的要求是_， 打點(diǎn)計(jì)時器打點(diǎn)的時間間隔為0.02 s，則所選擇的紙帶第1、2兩點(diǎn)間的距離應(yīng)接近_.,答案,解析,1,2,重物從靜止開始自由下落,2 mm,(2)若實(shí)驗(yàn)中所用重物的質(zhì)量m1 kg，打點(diǎn)紙帶如圖7所示，打點(diǎn)時間間隔為0.02 s，則記錄B點(diǎn)時，重物的速度vB_，重物的動能EkB_，從開始下落起至B點(diǎn)時重物的重力勢能減少量是_，由此可得出的結(jié)論是_(g9.8 m/s2，結(jié)果保留三位有效數(shù)字).,答案,解析,1,2,圖7,在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)機(jī)械能守恒,0.585 m/s,0.171 J,0.172 J,1,2,