2019-2020学年新教材高中物理 第八章 机械能守恒定律 第5节 实验：验证机械能守恒定律课件

第5节实验：验证机械能守恒定律1.验证机械能守恒定律．2.熟悉瞬时速度的测量方法．3.能正确进行实验操作，分析实验数据得出结论，能定性地分析产生误差的原因．学习目标1、什么叫机械能守恒？2、机械能守恒的条件是什么？3、自由落体运动的物体，机械能守恒吗？质量为m的物体从O点自由下落，以地面为零参考面，经过A、B两点的速度分别为𝑉𝐴和𝑉𝐵，A、B两点距地面的高度分别为ℎ𝐴、ℎ𝐵。4、如何推导机械能守恒的表达式？复习回顾实验目的验证机械能守恒定律借助自由落体运动实验原理2A2B2121mvmvmgΔh-=要证明上式是否成立，需要测量哪些物理量？如何测量这些物理量？实验器材重物、打点计时器、纸带、交流电源、铁架台、夹子、天平、毫米刻度尺实验操作1、选择重物时，选轻一点的好还是重一点的好？为什么？我们要求重物作自由落体运动，而阻力是不可避免地存在的，为了减少阻力对实验的影响，应采用密度较大的重物。2、安装打点计时器时，应注意什么问题？计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，计时器要稳定在铁架台上，并将计时器伸出桌外。3、这样做的目的是什么?减小纸带与限位孔的摩擦带来的实验误差；保证重物有足够的下落空间，以便在纸带上能够打出较多的点，有利于进行计算．4、实验时，接通电源和释放纸带的顺序怎样？先通电源，再释放纸带5、释放纸带时应注意什么问题？释放重物前，重物应靠近打点计时器，以便能打出较多的点。拉稳纸带的上端，确保重物由静止释放。①用天平测量重物的质量②按照如图所示装置安装打点计时器③将纸带穿过计时器，下端与重物相连④接通电源，待计时器工作稳定后释放纸带⑤及时切断电源，取下纸带，标上纸带号⑥更换纸带，重复以上步骤⑦整理器材，使器材复位实验步骤讨论：如何选取纸带上的两点作为我们研究过程的起点和终点？数据处理71131.我们可以选取7、13两点，比较它们的机械能E7和E13,以点13为0势能参考点，则有：𝐸k7＋𝑚𝑔ℎ＝𝐸k132.计时器打下的第一个点作为起始点，适当大距离后选一个点作终点，验证:𝑚𝑔ℎ=12𝑚𝑣2注意：必须保证纸带上的第一个点迹清晰，且是放手时打下的第一个点。𝑀(kg)Δℎ(m)𝑉𝐴(m/s)𝑉𝐵(m/s)势能减少量𝑚𝑔Δℎ(J)动能增加量Δ𝐸k(J)1234通过本实验，我们可以得到的结论是：数据处理2021/4/20图象法处理数据0hv212gh=v212该图象的斜率表示什么？为什么图象通过原点？误差分析因重物下落中要克服阻力做功，实验的动能增加量必定稍小于重力势能减少量2021/4/20题组一实验操作及步骤常考题型题1［2017·天津卷］如图所示，打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始自由下落，利用此装置验证机械能守恒定律。（2）某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50Hz的交流电源上，按正确操作得到了一条完整的纸带，由于纸带较长，图中有部分未画出，如图所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点，其中O点为纸带上打出的第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出，利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有。A.OA、AD和EG的长度B.OC、BC和CD的长度C.BD、CF和EG的长度D.AC、BD和EG的长度（1）对于该实验，下列操作中对减小实验误差有利的是。A.重物选用质量和密度较大的金属锤B.两限位孔在同一竖直面内上下对正C.精确测量出重物的质量D.用手托稳重物，接通电源后，释放重物BCAB实验操作注意事项（1）安装打点计时器时要使打点计时器的两限位孔在同一竖直平面内，手提纸带上端使纸带沿竖直方向，以减小纸带与限位孔的摩擦。（2）重物应选用质量和密度较大、体积较小的物体，以减小空气阻力的影响。（3）释放重物前，重物应靠近打点计时器，以便能打出较多的点。（4）应先接通电源，再松开纸带让重物下落。（5）选用点迹清晰的纸带进行测量。选择纸带的两种方法（1）用12mv2n=mghn验证时，应选点迹清晰，且1、2两点间距离小于或接近2mm的纸带。若1、2两点间的距离大于2mm，这是先释放纸带、后接通电源造成的。这样，第1个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选。（2）用12mv2B-12mv2A=mgΔh验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2mm就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用。题2［2019·广东惠州高一期末］用如图1所示的装置验证机械能守恒定律，若按正确的实验步骤进行，并选出如图2所示的纸带，回答下列问题：图1图2（1）纸带的（选填“左”或“右”）端与重物相连。（2）下面列举了该实验的几个操作步骤（示意图如图1所示）：A.按照图示的装置安装器件；B.将打点计时器接到电源的交流输出端上；C.用天平测量出重物的质量；D.释放悬挂纸带的夹子，同时接通电源开关打出一条纸带；E.测量纸带上打出的某些点之间的距离；F.根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。指出其中没有必要进行的和操作不恰当的步骤，将其选项对应的字母填在下面的横线上，并改正不恰当的步骤：没有必要进行的步骤是，理由是，操作不恰当的步骤是，改正为。待打点稳定后再释放纸带左C左右两边式子均有质量m，可以约去，没有必要用天平测重物的质量在验证机械能守恒时，D应先接通电源，题组二纸带分析和数据处理题3在用落体法验证机械能守恒定律的实验中：（1）所用重物质量m=1.0kg，打点计时器所用电源频率为50Hz，打下的纸带如图所示（图中的数据为从起始点O到该点的距离），则在打B点时，重物的速度Bv=m/s，重物的动能kBE=J，从开始下落到打B点时，重物的重力势能减少量是J。（结果保留两位有效数字）（2）根据纸带算出各点的速度v，量出下落距离h，则以2v为纵轴，以h为横轴，画出的图线应是图中的（）ABCD【解析】（1）由t2v=v得Bv=ACx2T=350.218.61020.02--m/s=0.79m/s，打B点时重物的动能为kBE=2B1mv2=211.00.792J≈0.31J。重物的重力势能减少量为3pEmgh1.09.832.410-==J≈0.32J。（2）在实验误差允许的范围内mgh=21mv2，所以2v∝h，作出的2v-h图线应为一条过原点的直线，故选项C正确。C0.790.310.32【注意】速度不能用nnvgt=或nv=n 2gh计算，因为只要认为加速度为g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律；用nnvgt=计算出的速度比实际速度值大，这是由于摩擦阻力的影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算。同样的道理，重物下落的高度h也只能用刻度尺直接测量，而不能用nh=2n1gt2或nh=2nv2g计算得到。题组三实验创新题4［2019·山东济宁高一质量检测］如图所示，用倾斜放置的气垫导轨验证机械能守恒定律。已知滑块和遮光条的总质量为m，遮光条的宽度为d，重力加速度为g。现将滑块由静止释放，两个光电门G1和G2分别记录了遮光条通过光电门的时间t1和t2，则滑块通过两个光电门的过程中动能的增加量kE=，通过两个光电门过程中重力势能的减少量pE=（用图中所标符号表示）。若两者在实验误差允许范围内相等，则滑块在下滑过程中机械能守恒。若实验中滑块以初速度v0下滑，用上述方法（选填“能”或“不能”）验证机械能守恒定律。【解析】滑块经过两个光电门G1和G2的速度分别为v1=1dt，v2=2dt，则动能的增加量为kE=2212dmt-2112dmt=222211112mdtt-。滑块重力势能的减少量为ΔEp=mgsHL。若实验中滑块以初速度v0下滑，只有重力做功，机械能守恒，用上述方法能验证机械能守恒定律。222211112mdtt-mgsHL能题5如图所示的装置可用来验证机械能守恒定律，摆锤A拴在长为L的轻绳一端，轻绳另一端固定在O点，在A上放一个质量很小的小铁块，现将摆锤拉起，使绳与竖直方向成θ角，由静止开始释放摆锤，当其到达最低位置时，受到竖直挡板P的阻挡而停止运动，之后铁块将飞离摆锤做平抛运动。（1）为了验证摆锤在运动过程中机械能守恒，必须求出摆锤在最低点的速度。为了求出这一速度，还应测量的物理量有。（2）用测得的物理量表示摆锤在最低点的速度v0=。（3）用已知的和测得的物理量表示摆锤在运动过程中机械能守恒的关系式为。解析：（1）摆锤在最低点的速度即为小铁块做平抛运动的初速度，所以要利用v0=xt=2xhg=2gxh来求初速度，所以需要测量的物理量有小铁块的水平位移x和竖直下落的高度h。（2）根据平抛运动规律知初速度：v0=xt=2xhg=2gxh。（3）要验证机械能守恒即验证摆锤减少的重力势能等于增加的动能，即mgL（1-cosθ）=2012mv=2122gmxh整理得：24xh=L（1-cosθ）。2gxh摆锤遇到挡板之后小铁块的水平位移x和竖直下落的高度h𝑥24ℎ=𝐿(1−cos𝜃)