2020版新教材高中物理 1.5.2 验证机械能守恒定律课件 鲁教版必修2

第2课时验证机械能守恒定律【实验目的】1.验证机械能守恒定律。2.进一步熟悉___________的使用。打点计时器【实验器材】铁架台、___________、_____电源、纸带、重物、天平、砝码、刻度尺、导线。打点计时器交流【实验原理与设计】1.实验原理:(1)在只有重力做功的自由落体运动中,物体的重力势能和动能互相转化,若物体初位置速度为v1,下落高度为h时对应速度为v2,则重力势能的减少量为____,动能的增加量为___________,看它们在实验误差允许的范围内是否相等,若相等,则说明_______________。mgh222111mvmv22机械能保持不变(2)若计算出各点的物体动能和重力势能之和,比较它们的大小,亦可验证机械能是否守恒。2.实验设计——五个物理量的测量:(1)下落的高度(h)首先在纸带上选取参考点,然后用毫米刻度尺量出纸带上其他点相对该点的距离。(2)瞬时速度(v)由于物体所做的自由落体运动为匀变速直线运动,所以纸带上某点的瞬时速度,等于该段时间内中间时刻的平均速度。v=12ssv2T(3)物体质量(m)用_____测量。(4)物体在某一位置的动能(Ek)由物体的质量和在该点的瞬时速度求出Ek=______天平21mv2(5)物体在某一位置的重力势能(Ep)由物体的质量和在该点相对参考点的高度求出Ep=____mgh【实验过程】一、实验步骤1.按照如图所示实验装置安装实验器材。2.利用天平称出重物质量。3.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3～5次实验。4.取下纸带并选其中一个点作为参考点,设打该点时重物的重力势能为零,计算打该点时重物的动能,它就是重物下落过程中动能与重力势能的总和。【思考·讨论】(1)如何选取重物?(物理观念)提示:重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。(2)实验开始时,是先接通电源,还是松开纸带让重物下落?(科学思维)提示:应先接通电源,让打点计时器正常工作,后松开纸带让重物下落。二、数据收集与分析1.分别测量并计算纸带上其他各点对应的重物的动能和重力势能,并分别计算出动能与重力势能之和,将测量和计算的数据填入表格。点序号高度重力势能速度动能机械能2.实验结论:在只有重力做功的情况下,物体的机械能是守恒的。【思考·讨论】测某时刻的瞬时速度能否用vn=或vn=gt来计算?(科学思维)提示:某时刻的瞬时速度的计算应用vn=,不能用vn=或vn=gt来计算。n2ghn2ghn1n1hh2T＋－－【误差分析】1.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。类型一实验操作【典例1】如图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。现有的器材为:带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题:世纪金榜导学号(1)为完成此实验,除了所给的器材外,还需要的器材有________。(填入正确选项前的字母)A.米尺B.秒表C.4～6V的直流电源D.4～6V的交流电源(2)下面列举了该实验的几个操作步骤:A.按照图示的装置安装器材B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上C.用天平测出重锤的质量D.先接通电源,后释放纸带,打出一条纸带E.测量纸带上某些点间的距离F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能其中操作不当的步骤是________________。(3)实验中误差产生的原因有_____________(写出两个原因)。【解析】(1)为完成此实验,除了所给的器材外,测量需要米尺,电源需要4～6V的交流电源。(2)其中操作不当的步骤是将打点计时器接到电源的“直流输出”上,打点计时器需要交流电源。(3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力;用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差;计算势能变化时,选取初、末两点距离过近;交流电源频率不稳定。答案:(1)A、D(2)B(3)见解析类型二数据处理【典例2】某实验小组“用落体法验证机械能守恒定律”,实验装置如图甲所示。实验中测出重物自由下落的高度h及对应的瞬时速度v,计算出重物减少的重力势能mgh和增加的动能mv2,然后进行比较,如果两者相等或近似相等,即可验证重物自由下落过程中机械能守恒。请根据实验原理和步骤完成下列问题:世纪金榜导学号12(1)关于上述实验,下列说法中正确的是________。A.重物最好选择密度较小的木块B.重物的质量可以不测量C.实验中应先接通电源,后释放纸带D.可以利用公式v=来求解瞬时速度2gh(2)如图乙是该实验小组得到的一条点迹清晰的纸带,纸带上的点O是起始点,选取纸带上连续的点A、B、C、D、E、F作为计数点,并测出各计数点到点O的距离依次为27.94cm、32.78cm、38.02cm、43.65cm、49.66cm、56.07cm。已知打点计时器所用的电源是50Hz的交流电,重物的质量为0.5kg,则从计时器打下点O到打下点D的过程中,重物减小的重力势能ΔEp=________J;重物增加的动能ΔEk=________J,两者不完全相等的原因可能是________________。(重力加速度g取9.8m/s2,计算结果保留三位有效数字)(3)实验小组的同学又正确计算出图乙中打下计数点A、B、C、D、E、F各点的瞬时速度v,以各计数点到A点的距离h′为横轴,v2为纵轴作出图像,如图丙所示,根据作出的图线,能粗略验证自由下落的物体机械能守恒的依据是_____________________________。【解析】(1)重物最好选择密度较大的铁块,故A错误。本题是以自由落体运动为例来验证机械能守恒定律,需要验证的方程是mgh=mv2,因为我们是比较mgh、mv2的大小关系,故m可约去,不需要用天平测量重物的质量,操作时应先接通电源,再释放纸带,故B、C正确。不能利用公式v=来求解瞬时速度,否则体现不了实验验证,却变成了理论推导,故D错误。12122gh(2)重力势能减小量ΔEp=mgh=0.5×9.8×0.4365J=2.14J。利用匀变速直线运动的推论:vD=m/s=2.91m/s,EkD=×0.5×2.912J=2.12J,动能增加量ΔEk=EkD-0=2.12J。由于存在阻力作用,所以减小的重力势能大于增加的动能。x0.49660.3802t0.04－＝2D11mv22＝(3)根据表达式mgh′=mv2,则有v2=2gh′;当图线的斜率为重力加速度的2倍时,即可验证机械能守恒,而图线的斜率k==19.52,因此能粗略验证自由下落的物体机械能守恒。1210.365.480.25－答案:(1)B、C(2)2.142.12重物下落过程中受到阻力作用(3)图线的斜率等于19.52,约为重力加速度g的两倍,故能验证类型三实验创新【典例3】如图所示,请利用该装置,设计实验方案验证机械能守恒定律。1.实验创新思路:(1)改进速度的测量方法。(2)改进实验装置。2.实验步骤:(1)按图示装置安装器材。钢球静止于A点,光电门固定在A的正下方,在钢球底部竖直地粘住一片宽度为d的遮光条。(2)将钢球拉至不同位置由_____释放。(3)遮光条经过光电门的挡光时间t可由计时器测出。取v=作为钢球经过A点时的_____。静止速度dt(4)记录钢球每次下落的高度h和计时器示数t。(5)计算并比较钢球在释放点和A点之间的_________大小ΔEp与_________大小ΔEk,就能验证机械能是否守恒。势能变化动能变化3.误差分析:(1)测量遮光条宽度的_____误差。(2)未考虑空气阻力造成的_____误差。偶然系统【创新评价】创新角度创新方案实验器材的创新实验器材由打点计时器和纸带换为光电门和遮光条实验原理的创新由自由落体法变为竖直面内的圆周运动实验数据处理的创新瞬时速度的计算由中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度变为瞬时速度的定义计算