5.9验证机械能守恒定律课件 新人教版必修2

9实验：验证机械能守恒定律(1)会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度(2)掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法(1)在只有重力做功的自由落体运动中，物体的重力势能转化为动能，总的机械能应该守恒，即mgh=(2)物体下落高度的测量：通过纸带用刻度尺测出(3)物体瞬时速度的测量、计算：纸带上第n个点的瞬时速度等于这个点前后相邻两点间的平均速度(hn+1、hn-1分别为第n+1个点、第n-1个点到第一个点的距离)21mv2n1n1nhhv2T铁架台(带铁夹)、电火花打点计时器(或电磁打点计时器、复写纸、低压交流电源)、重物(带纸带夹子)、纸带、导线、毫米刻度尺一、实验步骤1.安装置:按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。2.打纸带:将纸带的一端用夹子固定在重物上,另一端穿过打点计时器的限位孔,用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源,后松开纸带,让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做3次～5次实验。3.选纸带:选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为2mm的纸带,把纸带上打出的两点间的距离为2mm的第一个点作为起始点,记作O,在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、3…4.测距离:用刻度尺测出O点到1、2、3…的距离,即为对应下落的高度h1、h2、h3…二、数据处理1.计算各点对应的瞬时速度:记下第1个点的位置O,在纸带上从离O点适当距离开始选取几个计数点1、2、3…并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3…再根据公式vn=,计算出1、2、3、4、…n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4…vn。n1n1hh2T2.机械能守恒验证:方法一：利用起始点和第n点。从起始点到第n个计数点，重力势能减少量为mghn，动能增加量为，计算ghn和，如果在实验误差允许的范围内ghn=，则机械能守恒定律得到验证。2n1mv22n1v22n1v2方法二：任取两点A、B。从A点到B点，重力势能减少量为mghA-mghB，动能增加量为计算ghAB和，如果在实验误差允许的范围内，则机械能守恒定律得到验证。22BA11mvmv22，22BA11vv2222ABBA11ghvv22方法三:图像法。计算各计数点v2,以v2为纵轴,以各计数点到第一个点的距离h为横轴,根据实验数据绘出v2-h图线。若在误差许可的范围内图像是一条过原点且斜率为g的直线,则验证了机械能守恒定律。1212121.在进行长度测量时,测量及读数不准造成误差。2.重物下落要克服阻力做功,部分机械能转化成内能,下落高度越大,机械能损失越多,所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象。3.由于交流电的周期不稳定,造成打点时间间隔变化而产生误差。1.应尽可能控制实验,满足机械能守恒的条件,这就要求尽量减小各种阻力的影响,采取的措施有:(1)安装打点计时器时,必须使两个限位孔的中线严格竖直,以减小摩擦阻力。(2)应选用质量和密度较大的重物,增大重力可使阻力的影响相对减小,增大密度可以减小体积,使空气阻力减小。2.实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直。接通电源后，等打点计时器工作稳定再松开纸带。3.纸带选取时:(1)以第一个点为起点时，要验证的是=mghn，必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点，所以前两个点的间距为(2)以下落中某点为起点时，要验证的是这时选择纸带不需要满足两点间距为2mm。2n1mv22211hgt100.02m2mm22。22mnmn11mvmvmgh22，4.计算速度时不能用v=gt或v=，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误。5.测量下落高度时，为减小实验误差，后边的点应距起点O较远，在测量各点到O点的距离时，应当用刻度尺从O点量起，一次性读出各点到O点的距离。2gh热点1实验器材及步骤【典例1】某同学利用重物自由下落来“验证机械能守恒定律”的实验装置如图甲所示。(1)请指出实验装置中存在的明显错误:。(2)进行实验时,为保证重物下落时初速度为零,应(选填“A”或“B”)。A.先接通电源,再释放纸带B.先释放纸带,再接通电源(3)根据打出的纸带,选取纸带上连续打出的1、2、3、4四个点如图乙所示。已测出点1、2、3、4到打出的第一个点O的距离分别为h1、h2、h3、h4,打点计时器的打点周期为T。若代入所测数据能满足表达式gh3=,则可验证重物下落过程机械能守恒(用题目中已测出的物理量表示)。【标准解答】(1)从图甲中的实验装置中发现,打点计时器接在了“直流电源”上,打点计时器的工作电源是“低压交流电源”。因此,明显的错误是打点计时器不能接在“直流电源”上。(2)为了使纸带上打下的第1个点是速度为零的初始点,应该先接通电源,让打点计时器正常工作后,再释放纸带。若先释放纸带,再接通电源,当打点计时器打点时,纸带已经下落,打下的第1个点的速度不为零。因此,为保证重物下落的初速度为零,应先接通电源,再释放纸带。(3)根据实验原理，只要验证ghn=vn2即可验证机械能守恒定律。因此需求解v3。根据匀变速直线运动规律关系式可得，则有，故只要在误差允许的范围内验证gh3=成立，就可验证重物下落过程中机械能守恒。答案：(1)打点计时器不能接“直流电源”(或打点计时器应接“交流电源”)(2)A(3)12423hhv2T，242232hh1v28T2422hh8T2422hh8T热点2实验数据分析与处理【典例2】(2013·海南高考)某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。已知打点计时器所用电源的频率为50Hz,当地重力加速度大小为g=9.80m/s2。实验中该同学得到的一条点迹清晰的完整纸带如图乙所示,纸带上的第一个点记为O,另选连续的三个点A、B、C进行测量,图中给出了这三个点到O点的距离hA、hB和hC的值。回答下列问题(计算结果保留3位有效数字):(1)打点计时器打B点时,重物速度的大小vB=m/s;(2)通过分析该同学测量的实验数据,他的实验结果是否验证了机械能守恒定律?简要说明分析的依据。【标准解答】(1)打点计时器打B点时重物速度的大小(2)vB2=7.61(m/s)2，ghB=7.70(m/s)2，因为mvB2≈mghB，近似验证了机械能守恒定律，或由mvB2mghB得出其他合理的结论也可以。答案：(1)3.90(2)见标准解答2CABhhf86.5970.991050vm/s3.90m/s22121212【典例3】某次“验证机械能守恒定律”的实验中,用6V、50Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带,如图所示,O点为重锤下落的起点,选取的计数点为A、B、C、D,各计数点到O点的长度已在图上标出,单位为毫米,重力加速度取9.8m/s2,若重锤质量为1kg。(1)打点计时器打出B点时,重锤下落的速度vB=m/s,重锤的动能EkB=J。(2)从开始下落算起,打点计时器打B点时,重锤的重力势能减小量为J。(3)根据纸带提供的数据,在误差允许的范围内,重锤从静止开始到打出B点的过程中,得到的结论是。【标准解答】(1)重锤下落的速度重锤在打出B点时的动能EkB=mvB2=×1×1.172J=0.68J(2)打点计时器打B点时，重锤的重力势能减小量ΔEp减=mghOB=1×9.8×70.5×10-3J=0.69J(3)由(1)、(2)计算结果可知，重锤下落过程中，在实验允许的误差范围内，动能的增加量等于其重力势能的减少量，机械能守恒。答案：(1)1.170.68(2)0.69(3)机械能守恒3ACB125.031.410hvm/s1.17m/s2T20.041212