2019-2020学年高中物理 第7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

9实验：验证机械能守恒定律同学们，上一节我们学习了机械能守恒定律，首先请大家回顾一下有关知识，然后回答下面的几个问题：1．(2018顺义检测)在下列所述实例中，若不计空气阻力，机械能守恒的是()A．抛出的铅球在空中运动的过程B．木箱沿粗糙斜面匀速下滑的过程C．汽车在关闭发动机后自由滑行的过程D．电梯加速上升的过程【答案】A【解析】抛出的铅球在空中运动的过程中，只受到重力的作用，机械能守恒，故A正确．木箱沿粗糙斜面匀速下滑的过程中，动能不变，而重力势能减小，所以机械能减小，故B错误．汽车在关闭发动机后自由滑行的过程中，阻力对汽车做功，其机械能不守恒，故C错误．电梯加速上升的过程，其动能和重力势能均增大，则机械能必定增大，D错误．2．如图所示，将质量为m的石块从离地面h高处以初速度v0斜向上抛出．以地面为参考平面，不计空气阻力，当石块落地时()A．动能为mghB．动能为12mv20C．重力势能为mghD．机械能为12mv20＋mgh【答案】D【解析】石块从抛出到落地过程中机械能守恒，由机械能守恒定律得，石块落地时的机械能E＝12mv20＋mgh，D正确；根据动能定理得mgh＝Ek－12mv20，则石块落地时的动能为Ek＝12mv20＋mgh，A、B错误；石块落地时重力势能为0，C错误．一、实验目的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______________验证机械能守恒定律的原理和方法．二、实验器材铁架台(带铁夹)，____________，重物(带纸带夹子)，纸带，复写纸，导线，____________，学生电源．自由落体运动打点计时器毫米刻度尺实验中选用的重物质量大点好还是小点好？体积大点好还是小点好？【答案】为减少实验误差，选用的重物质量大点好，体积小点好．实验原理及过程1．实验原理(1)如图甲所示，借助打点计时器打出的纸带，测出物体自由下落的高度h和该时刻的速度v，以纸带上的第n个点为例，如图乙中的纸带，打第n个计数点时的瞬时速度等于以该时刻为中间时刻的某一段时间内的平均速度．即vn＝xn＋xn＋12T＝hn＋1－hn－12T．乙(2)物体下落的高度为h时速度为v，则物体的重力势能减小量为mgh，动能增加量为12mv2，如果mgh＝12mv2，即gh＝12v2，就验证了机械能守恒定律．2．实验步骤(1)安装装置：将打点计时器固定在铁架台上；用导线将打点计时器与低压交流电源相连接．(2)接电源、打纸带：把纸带的一端在重物上用夹子固定好，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点到点1、2、3、…的距离，即为对应下落的高度h1、h2、h3、…．3．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＝hn＋1－hn－12T，计算出1、2、3、4、…、n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4、…、vn．(2)机械能守恒的验证方法一：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12mv2n，计算ghn和12v2n，如果在实验误差允许的范围内ghn＝12v2n，则机械能守恒定律得到验证．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12mv2B－12mv2A，计算ghAB和12v2B－12v2A，如果在实验误差允许的范围内ghAB＝12v2B－12v2A，则机械能守恒定律得到验证．方法三：图象法计算各计数点12v2，以12v2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12v2－h图线．若在误差许可的范围内图象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．4．误差分析(1)偶然误差：测量相关长度时带来的，减小的方法是多测几次取平均值．(2)系统误差：实验过程中要克服阻力(主要是打点计时器的阻力)做功，故动能的增加量ΔEk必定稍小于势能的减少量ΔEp.再者，交流电的频率f不是50Hz也会带来系统误差．若f＞50Hz，由于速度值仍按频率为50Hz计算，频率的计算值比实际值偏小，周期值偏大，算得的速度值偏小，动能值也就偏小，使Ek＜Ep的误差进一步加大；根据同样的道理，若f＜50Hz，则可能出现Ek＞Ep的结果．5．注意事项(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，可使空气阻力减小．(3)实验时，应先接通电源，让打点计时器工作正常后再松开纸带让重物下落．(4)本实验中的三种验证方法中，均不需要测重物的质量m．(5)速度不能用v＝gt或v＝2gh计算，而应用vn＝hn＋1－hn－12T进行测量并计算．例题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3个点A、B、C进行测量，图中给出了这3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．解析：(1)打点计时器打B点时重物速度的大小vB＝hC－hAf2＝86.59－70.99×10－2×502m/s＝3.90m/s．(2)12v2B＝7.61(m/s)2，ghB＝7.70(m/s)2，因为12v2B≈ghB，近似验证了机械能守恒定律，或由12mv2B≈mghB得出其他合理的结论也可以．答案：(1)3.90(2)见解析某同学做验证机械能守恒定律实验时，不慎将一条挑选出的纸带一部分损坏，损坏的是前端部分．剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出标在图中，单位是cm.已知打点计时器工作频率为50Hz，重力加速度g取9.8m/s2，重物质量为m．(1)重物在2点的速度v2＝__________，在5点的速度v5＝__________，此过程中动能增加量ΔEk＝__________，重力势能减少量ΔEp＝__________．(2)比较得ΔEk__________ΔEp(填“大于”“等于”或“小于”)，原因是__________________________．由以上可得出实验结论________________________．(3)根据实验判断下列图象正确的是(其中ΔEk表示物体动能的变化，Δh表示物体下落的高度)()【答案】(1)1.50m/s2.075m/s1.03mJ1.06mJ(2)小于实验中重物要克服阻力做功在误差允许的范围内，机械能守恒(3)CABCD【解析】(1)根据匀变速直线运动的规律，可以求出重物在2点的速度v2＝2.8＋3.2×10－22×0.02m/s＝1.50m/s和重物在5点的速度v5＝4.0＋4.3×10－22×0.02m/s＝2.075m/s，所以动能增加量为ΔEk＝12mv25－12mv22＝1.03mJ，我们选5点为重力势能参考点，则重力势能减少量为ΔEp＝mgh25＝m×9.8×(3.2＋3.6＋4.0)×10－2J＝1.06mJ．(2)显然ΔEkΔEp，原因是实验中重物要克服阻力做功．由以上可得出实验结论为：在误差允许的范围内，机械能守恒．(3)物体机械能守恒，应有物体减少的重力势能转化为增加的动能，即ΔEk＝mgΔh，可见物体增加的动能与下落的距离成正比，选项C正确．