高中物理 第四章 機械能和能源 5 實驗：驗證機械能守恒定律課件 教科版必修2

第四章機械能和能源目標定位1.驗證機械能守恒定律.2.熟悉瞬時速度的測量方法.3.能正確進行實驗操作，分析實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論，能定性地分析產(chǎn)生誤差的原因.實驗：驗證機械能守恒定律知識探究自我檢測一、實驗原理知識探究1.在只有重力做功的自由落體運動中，物體的重力勢能減少，動能增加，如果重力勢能的減少量 動能的增加量，就驗證了機械能守恒定律.2.兩種驗證方案(1)若以重物下落的起始點O為基準，設重物的質(zhì)量為m，測出重物自起始點O下落距離h時的速度v，則在誤差允許范圍內(nèi)，由計算得出 mgh，機械能守恒定律即被驗證.等于(2)若以重物下落過程中的某一點A為基準，設重物的質(zhì)量為m，測出重物對應于A點的速度vA，再測出重物由A點下落h后經(jīng)過B點的速度vB，則在誤差允許范圍內(nèi)，由計算得出 mgh，機械能守恒定律即被驗證.二、實驗器材鐵架臺(帶鐵夾)、電火花計時器、重物(帶夾子)、 、導線、毫米刻度尺、交流電源(220 V).紙帶三、實驗步驟1.安裝置：按圖1甲把打點計時器安裝在鐵架臺上，用導線把打點計時器與電源連接好.圖12.打紙帶：在紙帶的一端用夾子把重物固定好，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物?？吭诖螯c計時器附近.先接通電源后放開紙帶，讓重物拉著紙帶自由下落.重復幾次，得到35條打好點的紙帶.3.選紙帶：從打好點的紙帶中挑選點跡清晰且開始的兩點間距接近2 mm的一條紙帶，在起始點標上0，以后任取間隔相同時間的點依次標上1、2、3.4.測距離：用刻度尺測出0到1、2、3的距離，即為對應下落的高度h1、h2、h3.四、數(shù)據(jù)處理1.計算各點對應的瞬時速度：根據(jù)公式vn ，計算出1、2、3、n點的瞬時速度v1、v2、v3、vn.2.機械能守恒驗證：方法一：利用起始點和第n點.從起始點到第n個計數(shù)點，重力勢能減少量為mghn，則機械能守恒定律得到驗證.方法二：任取兩點A、B.從A點到B點，重力勢能減少量為mghABmghAmghB，則機械能守恒定律得到驗證.方法三：圖像法.圖2以各計數(shù)點到第一個點的距離h為橫軸，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出 v2h圖線(如圖2).若在誤差允許范圍內(nèi)圖像是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒定律.五、誤差分析1.本實驗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動中的空氣阻力及打點計時器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差.2.測量時采取多次測量求平均值的方法來減小偶然誤差，安裝打點計時器時使兩限位孔中線豎直，并且選擇質(zhì)量適當大些、體積盡量小些的重物來減小系統(tǒng)誤差.六、實驗注意事項1.打點計時器安裝要穩(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.實驗時，應先接通電源，讓打點計時器正常工作后再松開紙帶讓重物下落.例1某同學利用重物自由下落來“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置如圖3甲所示.典例精析圖3(1)請指出實驗裝置中存在的明顯錯誤： .解析從題圖甲中的實驗裝置中發(fā)現(xiàn)，打點計時器接在了“直流電源”上，打點計時器的工作電源是“交流電源”.因此，明顯的錯誤是打點計時器不能接在“直流電源”上.打點計時器不能接“直流電源”(或打點計時器應接“交流電源”)(2)進行實驗時，為保證重物下落時初速度為零，應_(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個點是速度為零的初始點，應該先接通電源，讓打點計時器正常工作后，再釋放紙帶.若先釋放紙帶，再接通電源，當打點計時器打點時，紙帶已經(jīng)下落，打下的第1個點的速度不為零.A(3)根據(jù)打出的紙帶，選取紙帶上連續(xù)打出的1、2、3、4四個點如圖乙所示.已測出1、2、3、4到打出的第一個點O的距離分別為h1、h2、h3、h4，打點計時器的打點周期為T.若代入所測數(shù)據(jù)能滿足表達式gh3 ，則可驗證重物下落過程機械能守恒(用題目中已測出的物理量表示).根據(jù)勻變速直線運動規(guī)律關系式可得，就可驗證重物下落過程中機械能守恒.例2用如圖4所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律.實驗所用的電源為學生電源，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，對紙帶上的點痕進行測量及相關計算，即可驗證機械能守恒定律.圖4(1)下面列舉了該實驗的幾個操作步驟：A.按照圖示的裝置安裝器件；B.將打點計時器接到電源的“直流輸出”上；C.用天平測出重物的質(zhì)量；D.釋放懸掛紙帶的夾子，同時接通電源開關打出一條紙帶；E.測量紙帶上某些點間的距離；F.根據(jù)測量的結(jié)果計算重物下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能.其中沒有必要進行或者操作不當?shù)牟襟E是 .BCD(2)在一次實驗中，質(zhì)量為m的重物自由下落，在紙帶上打出一系列的點，如圖乙所示(相鄰計數(shù)點的時間間隔為0.02 s)，長度單位cm，那么從起點O到打下計數(shù)點B的過程中重力勢能的減少量Ep J，此過程中重物動能的增加量Ek J(g取9.8 m/s2，結(jié)果數(shù)據(jù)均保留至小數(shù)點后兩位)；通過計算，數(shù)值上Ep Ek(填“”“”或“”)，這是因為 .0.49m0.48m紙帶和重物運動過程中受到阻力的作用例3在驗證機械能守恒定律的實驗中，質(zhì)量為m1 kg 的重物拖著紙帶下落，在此過程中，打點計時器在紙帶上打出一系列的點，在紙帶上選取五個連續(xù)的點A、B、C、D和E，如圖5所示.其中O為重物開始下落時記錄的點，各點到O點的距離分別是31.4 mm、49.0 mm、70.5 mm、95.9 mm、124.8 mm.當?shù)刂亓铀俣萭10 m/s2.本實驗所用電源的頻率f50 Hz.(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)圖5(1)打點計時器打下點B時，重物下落的速度vB m/s，打 點 計 時 器 打 下 點D時 ， 重 物 下 落 的 速 度 vD m/s.答案見解析(2)從打下點B到打下點D的過程中，重物重力勢能減小量Ep J，重物動能增加量為Ek .解析EpmghBD110(95.949.0)103 J0.469 J答案見解析自我檢測1.如圖6是用自由落體法驗證機械能守恒定律時得到的一條紙帶.有關尺寸已在圖中注明.我們選取n點來驗證機械能守恒定律.下面列舉一些計算n點速度的方法，其中正確的是()圖6A.n點是第n個點，則vngnTB.n點是第n個點，則vng(n1)T答案CD2.在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，已知打點計時器所用電源的頻率為50 Hz，查得當?shù)氐闹亓铀俣萭9.8 m/s2，某同學選擇了一條理想的紙帶，用刻度尺測量時各計數(shù)點對應刻度尺上的讀數(shù)如圖7所示，圖中O點是打點計時器打出的第一個點，A、B、C、D分別是每打兩個點取的計數(shù)點.則重物由O點運動到B點時(重物質(zhì)量為m kg)圖7(1)重力勢能的減少量是 J.動能的增加量是 J.解析重力勢能的減少量為EpmghOBm9.80.195 J1.911m J.重物下落到B點時的速度為所以重物從開始下落到B點增加的動能為1.89m1.911m(2)根據(jù)計算的數(shù)據(jù)得出的結(jié)論： .解析從以上計算的數(shù)據(jù)得出在實驗誤差允許范圍內(nèi)重物減少的重力勢能等于其增加的動能，即機械能守恒. 在實驗誤差允許的范圍內(nèi)重物減少的重力勢能等于其增加的動能，即機械能守恒3.如圖8為利用氣墊導軌(滑塊在該導軌上運動時所受阻力可忽略)驗證機械能守恒定律的實驗裝置，完成以下填空.圖8實驗步驟如下：將氣墊導軌放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，將導軌調(diào)至水平.測出擋光條的寬度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，待砝碼靜止不動時，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，可以確定系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動能分別為Ek1 和Ek2 .解析滑塊通過光電門的速度在滑塊從光電門1運動到光電門2的過程中，系統(tǒng)勢能的減少量Ep .(重力加速度為g)解析系統(tǒng)重力勢能的減少量等于托盤和砝碼重力勢能的減少量Epmgs.如果滿足關系式 ，則可認為驗證了機械能守恒定律.解析若EpEk2Ek1，則驗證了機械能守恒定律.mgsEpEk2Ek1