2020版高中物理 第七章 机械能守恒定律 9 实验：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知识导图核心素养科学思维：掌握实验原理和方法，掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律，能对实验结果进行讨论及误差分析．科学探究：验证机械能守恒定律，熟悉瞬时速度的测量方法．科学态度与责任：通过实验验证，树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观．铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(4～6V)．让物体自由下落，忽略阻力情况下物体的机械能守恒，有两种方案验证物体的机械能守恒：方案一以物体自由下落的位置O为起始点，测出物体下落高度h时的速度大小v.若12mv2＝mgh成立，则可验证物体的机械能守恒．方案二测出物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2，若关系式12mv22－12mv21＝mgh成立，则物体的机械能守恒．(1)安装置：将打点计时器固定在铁架台上，并用导线将打点计时器与交流电源相连接(2)打纸带：把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停靠在打点计时器附近，接通电源，待打点稳定后松开纸带，让重物自由下落．重复几次，打下3～5条纸带(3)选纸带：选取点迹清晰的纸带，在第一个点及距离第一个点较远的点上依次标上0、1、2、3(4)测距离：测出0到点1、点2、点3、…的距离，即为对应的下落高度h1、h2、h3…数据处理方案一利用起始点和第n点计算，代入ghn和12v2n，如果在实验误差允许的范围内，ghn＝12v2n，则验证了机械能守恒定律．方案二任取两点计算．(1)任取两点A、B测出hAB，算出ghAB.(2)算出12v2B－12v2A的值．(3)如果在实验误差允许的范围内，ghAB＝12v2B－12v2A，则验证了机械能守恒定律．方案三图象法．从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以12v2为纵轴，以h为横轴，绘出12v2­h图线，若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．误差分析产生原因减小方法偶然误差测量(1)测量时都从第一个点量起；(2)多次测量，求平均值系统误差空气和摩擦阻力(1)安装打点计时器时，使两限位孔中线竖直；(2)选择质量适当大、体积尽量小的重物注意事项1．打点计时器要竖直：安装打点计时器时要竖直架稳，使其两限位孔在同一竖直平面内以减少摩擦阻力．2．重物密度要大：重物应选用质量大、体积小、密度大的材料．3．一先一后：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．4．测长度，算速度：某时刻的瞬时速度的计算应用vn＝hn＋1－hn－12T，不能用vn＝2ghn或vn＝gt来计算．类型1实验原理及操作【例1】在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，电源的频率为50Hz，依次打出的点为0、1、2、…、n.则：(1)如果用打出的点2到点6之间的纸带来验证，必须直接测量的物理量为_______________________、___________________________、_______________________，必须计算出的物理量为_____________________________、___________________________________，验证的表达式为______________．点2到点6之间的距离h26点1到点3之间的距离h13点5到点7之间的距离h57打下点2时纸带的瞬时速度v2打下点6时纸带的瞬时速度v6mgh26＝12mv26－12mv22(2)下列实验步骤操作合理的排列顺序是________(填写步骤前面的字母)．A．将打点计时器竖直安装在铁架台上B．接通电源，再松开纸带，让重物自由下落C．取下纸带，更换新纸带(或将纸带翻个面)重新做实验D．将重物固定在纸带的一端，让纸带穿过打点计时器，用手提着纸带E．选择一条纸带，用刻度尺测出重物下落的高度h1、h2、h3、…、hn，计算出对应的瞬时速度v1、v2、v3、…、vnF．分别算出12mv2n和mghn，在实验误差范围内看是否相等ADBCEF【解析】(1)要验证打出的点2到点6之间的纸带对应重物的运动过程中机械能是否守恒，应测出点2到点6的距离h26，要计算打下点2和点6时纸带对应的速度v2和v6，必须测出点1到点3之间的距离h13和点5到点7之间的距离h57，验证的表达式为mgh26＝12mv26－12mv22.(2)实验操作顺序为ADBCEF.变式训练1利用如图所示装置进行验证机械能守恒定律的实验时，需要测量重物由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h，某班同学利用实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案．A．用刻度尺测出重物下落高度h，并测出下落时间t，通过v＝gt计算出瞬时速度v.B．用刻度尺测出重物下落的高度h，并通过v＝2gh计算出瞬时速度v.C．根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v，并通过h＝v22g计算出高度h.D．用刻度尺测出重物下落的高度h，根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度等于这点前后相邻两点间的平均速度，测算出瞬时速度v.(1)以上方案中只有一种最合理，最合理的是________．(填入上述方案相应的字母)(2)要使该实验误差尽量小，下列注意点正确的是________．(填入相应的字母)A．使重物的质量越大越好，但悬挂时不能拉断纸带B．选用电火花计时器比电磁打点计时器更好，可减小阻力的影响C．测长度时保持纸带悬挂状态，刻度尺的读数更准确D．纸带上留下的点越大越好E．纸带越长越好DAB解析：(1)A、B、C方案中用匀变速直线运动公式求v及h，这样得到的v、h不是实验直接测量的数据，不能达到验证机械能守恒定律的目的．(2)测长度时保持纸带悬挂，会增大刻度尺读数误差；纸带太长，会增大阻力做功．类型2实验数据处理与分析【例2】在用打点计时器验证机械能守恒定律的实验中，使质量为m＝1.00kg的重物自由下落，打点计时器在纸带上打出一系列的点，选取一条符合实验要求的纸带如图所示．O为第一个点，A、B、C为从合适位置开始选取连续点中的三个点．已知打点计时器每隔0.02s打一个点，当地的重力加速度为g取9.80m/s2，那么：(1)根据图上所得的数据，应取图中O点到________点来验证机械能守恒定律；(2)从O点到(1)问中所取的点，重物重力势能的减少量ΔEp＝________J．动能增加量ΔEk＝________J；(结果取三位有效数字)(3)若测出纸带上所有各点到O点之间的距离，根据纸带算出各点的速度v及物体下落的高度h，则以v22为纵轴、以h为横轴画出的图象是图中的________．B1.881.84A【解析】(1)根据题中所给数据可以看出，A、B、C为选取的连续点中的三个点，显然只有B点的速度由vB＝AC2T可以求出，其余两点的速度不能直接求出，而且O、B之间的距离已知，所以应选O点到B点来验证机械能守恒定律．(2)ΔEp＝mghB＝1.00×9.8×19.20×10－2J＝1.88JvB＝AC2T＝23.23－15.55×10－22×0.02m/s＝1.92m/sΔEk＝12mv2B＝12×1.00×1.922J＝1.84J.(3)由mgh＝12mv2得v22＝gh，故A正确．变式训练2某实验小组利用如图甲所示的实验装置，完成“验证机械能守恒定律”的实验，请根据实验原理和步骤完成下列问题：(1)在实验操作中，释放纸带瞬间的四种情景如乙图照片所示，你认为最合理的是()D(2)如图丙是该实验小组打出的一条点迹清晰的纸带，纸带上的O点是起始点，选取纸带上连接的点A、B、C、D、E、F作为计数点，并测出各计数点到O点的距离依次为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，两者不完全相等的主要原因是________(重力加速度g取9.8m/s2，计算结果保留三位有效数字)2.182.12存在阻力解析：(1)释放纸带时，手提着纸带的上端，纸带要处于竖直状态，重物靠近打点计时器，故选项D正确．(2)从计时器打下点O到打下点D的过程中，重力势能减小量ΔEp＝mgh＝0.5×10×0.4365J＝2.18J，利用匀变速直线运动的推论可得：vD＝xt＝0.4966－0.38020.04m/s＝2.91m/s，重物增加的动能为：EkD＝12mv2D＝12×0.5×(2.91)2J＝2.12J，由于存在阻力作用，所以减小的重力势能大于动能的增加量．1.某实验小组的同学在“验证机械能守恒定律”的实验时，进行了如下的操作：A．取下纸带，挑选点迹清晰的纸带，记下起始点O，在距离O点较远处选择连续几个计数点(或计时点)B．用天平称出重物和夹子的质量C．计算出ghn和12v2n，看两者是否相等D．固定好打点计时器，将连着重物的纸带穿过限位孔，用手提住，让重物尽量靠近打点计时器E．先接通电源，后松开纸带，开始打点．并如此重复多次，以得到几条打点纸带F．测出各点到O点的距离，即得到重物下落的高度，并计算出各点的速度值在以上的操作中不必要的是________；然后将必要的操作进行正确的排序________．BDEAFC解析：因本实验是通过比较重力势能的减少量ΔEp是否等于动能的增加量ΔEk来验证机械能守恒定律的，不需要知道动能的具体数值，因而不需要测出重物和夹子的质量，故步骤B是不必要的；根据实验原理以及操作分析可知，正确的操作顺序为DEAFC.2．利用如图装置做“验证机械能守恒定律”实验．(1)为验证机械能是否守恒，需要比较重物下落过程中任意两点间的________．A．动能变化量与势能变化量B．速度变化量与势能变化量C．速度变化量与高度变化量(2)除带夹子的重物、纸带、铁架台(含铁夹)、电磁打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是________．A．交流电源B．刻度尺C．天平(含砝码)AAB(3)实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图所示的一条纸带．在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC.已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T.设重物的质量为m.从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能变化量ΔEp＝________，动能变化量ΔEk＝________.－mghB12mhC－hA2T2(4)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量大于动能的增加量，原因是________．A．利用公式v＝gt计算重物速度B．利用公式v＝2gh计算重物速度C．存在空气阻力和摩擦阻力的影响D．没有采用多次实验取平均值的方法C解析：(1)重物下落过程中重力势能减少，动能增加，故该实验需要比较重物下落过程中任意两点间的动能变化量与势能变化量在误差范围内是否相等，A项正确．(2)电磁打点计时器使用的是交流电源，故要选A，需要测纸带上两点间的距离，还需要刻度尺，选B，根据mgh＝12mv2－0可将等式两边的质量抵消，不需要天平，不选C.(3)重物的重力势能变化量为ΔEp＝－mghB，动能的变化量ΔEk＝12mv2B＝12mhC－hA2T2(4)重物重力势能的减少量略大于动能的增加量，是因为重物下落过程中存在空气阻力和摩擦阻力的影响，C正确．3．[2019·徐州检测]某实验小组利用如图装置来验证机械能守恒定律．在气垫导轨上固定两个光电门，光电门连接数字毫秒计，滑块上固定宽度为d的遮光条．把导轨的右端垫高，测出倾角为θ.已知当地重力加速度为g.(1)实验时，将滑块从某处由静止释放．遮光条通过某光电门的时间为Δt，则滑块通过此光电门的瞬时速度为________．(2)若通过光电门1和光电门2的速度分别为v1和v2，还需要测量_