2019-2020学年高中物理 第7章 9 实验：验证机械能守恒定律课件 新人教版必修2

第七章机械能守恒定律9．实验：验证机械能守恒定律[学习目标]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．自主探新知预习一、实验原理让物体自由下落，在忽略阻力的情况下，探究物体的机械能守恒，有两种方案探究物体的机械能守恒：1．以物体下落的起始点O为基准，测出物体下落高度h时的速度大小v，若12mv2＝______成立，则可验证物体的机械能守恒．2．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__________________＝mgh成立，则物体的机械能守恒．mgh12mv22－12mv21二、实验器材铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、________电源(4～6V)、____、毫米刻度尺、纸带(带夹子)、复写纸片、导线．低压交流重物三、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3～5次实验．3．选纸带：选取点迹较为清晰且1、2两点间的距离约为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…四、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…n并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3…hn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.hn＋1－hn－12T2．机械能守恒定律的验证：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＝__________，则机械能守恒定律得到验证．12v2n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＝______________，则机械能守恒定律得到验证．12v2B－12v2A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12v2­h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．五、误差分析1．在进行长度测量时，测量及读数不准确造成误差．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．六、注意事项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．纸带选取(1)以第一个点为起点时，要验证的是12mv2n＝mghm，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h＝12gt2＝12×10×(0.02)2m＝2mm.(2)以下落中某点为起点时，要验证的是12mv2n－12mv2m＝mghmn，这时选择纸带不需要满足两点间距为2mm.3．计算速度时不能用v＝gt或v＝2gh，否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误．合作攻重难探究【例1】在“验证机械能守恒定律”的实验中，下面列出一些实验步骤：A．用天平称出重物和夹子的重量B．把重物系在夹子上C．将纸带穿过计时器，上端用手提着，下端夹上系住重物的夹子，再把纸带向上拉，让夹子靠近打点计时器静止D．把打点计时器接在学生电源的交流输出端，把输出电压调至6V(电源不接通)E．把打点计时器固定在桌边的铁架台上，使两个限位孔在同一竖直线上F．在纸带上选取几个点，进行测量和记录数据G．用秒表测出重物下落时间H．接通电源，待计时器响声稳定后释放纸带I．切断电源J．更换纸带，重新进行两次K．在三条纸带中选出较好的一条L．进行计算，得出结论，完成报告M．拆下导线，整理器材以上步骤中，不必要的有________，正确步骤的合理顺序是________．(填写字母)[解析]只为了验证机械能守恒，没必要称量重物的质量．打点计时器本身就是计时仪器，不再需要秒表．[答案]AGEDBCHIJMKFL【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，计算出重物减小的重力势能mgh和增加的动能12mv2，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：甲乙丙(1)(多选)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＝2gh来求解瞬时速度(2)如图乙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，选取纸带上连续的点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，重锤的质量为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为纵轴作出图象，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，受到的阻力较小，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＝12mv2，因为我们是比较mgh、12mv2的大小关系，故m可约去比较，不需要用天平测量重物的质量，故B正确．实验中应先接通电源，后释放纸带，故C正确．不能利用公式v＝2gh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．(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＝ΔxΔt＝0.4966－0.38020.04m/s＝2.91m/s，EkD＝12mv2D＝12×0.5×(2.91)2J≈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动能的增加．(3)根据表达式mgh＝12mv2，则有v2＝2gh；当图象的斜率为重力加速度的2倍时，即可验证机械能守恒，而图象的斜率k＝10.36－5.480.25＝19.52；因此能粗略验证自由下落的物体机械能守恒．[答案](1)BC(2)2.142.12重物下落过程中受到阻力作用(3)图象的斜率等于19.52，约为重力加速度g的两倍，故能验证【例3】利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图所示．(1)实验步骤：①将气垫导轨放在水平面上，桌面高度不低于1m，将导轨调至水平；②用游标卡尺测量挡光条的宽度为l＝9.30mm；③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s＝_________cm；④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2；⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量M，再称出托盘和砝码的总质量m.(2)用表示直接测量的字母写出下列所示物理量的表达式：①滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度分别为v1＝________和v2＝________.②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动能分别为Ek1＝________和Ek2＝________.③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量ΔEp减＝________(重力加速度为g)．(3)如果ΔEp减＝________，则可认为验证了机械能守恒定律．[解析]由于挡光条宽度很小，因此将挡光条通过光电门时的平均速度当作瞬时速度，挡光条的宽度l可用游标卡尺测量，挡光时间Δt可从数字计时器读出，因此，滑块通过光电门的瞬时速度为lΔt，由于质量已用天平测出，所以，滑块的动能就是已知数了．测出动能的增加值，测出重力势能的减少值，如果两者在误差允许范围内相等，就验证了机械能守恒定律．[答案](1)③60.00(59.96～60.04)(2)①lΔt1lΔt2②12(M＋m)lΔt1212(M＋m)lΔt22③mgs(3)Ek2－Ek1课时提素养演练381．做“验证机械能守恒定律”的实验，已有铁架台、铁夹、电源、纸带、打点计时器，还必须选取的器材是图中的()abcdA．a和cB．a和dC．b和cD．b和d39D[实验中验证重锤重力势能的减小量和动能的增加量是否相等，所以需要重锤，为了减小阻力的影响，重锤选择质量大一些，体积小一些的，故需要b，a是不需要的；打点计时器可以直接记录时间，不需要秒表．实验中需要刻度尺测量点迹间的距离，从而求解瞬时速度和下降的高度，故选项D正确，A、B、C错误．]402．在“验证机械能守恒定律”实验中，纸带将被释放瞬间的四种情况如照片所示，其中最合适的是()D[开始释放时，重锤要靠近打点计时器，纸带应保持竖直方向，故D正确．]ABCD413．在验证机械能守恒定律的实验中，与纸带相连的质量为1kg的重锤自由下落，打出的纸带如图所示，相邻计数点的时间间隔为0.02s，g取9.8m/s2.求：42(1)打点计时器打下计数点B时，物体的速度vB＝______m/s(保留两位有效数字)；(2)某同学根据纸带上的O点到B点的数据，计算出物体的动能增加量ΔEk＝0.47J，重力势能减小量ΔEp＝0.48J，经过多次实验均发现ΔEk略小于ΔEp，试分析或解释形成这个现象的原因：__________________________________________________________________________________________________________.43[解析](1)vB＝vAC＝hAC2T＝7.02－3.13×10－22×0.02m/s≈0.97m/s.(2)由于重锤下落过程中要克服空气阻力及纸带所受阻力做功，所以下落过程中，重锤的机械能有少量损失，增加的动能总是略小于减少的重力势能．[答案](1)0.97(2)由于要克服空气阻力和纸带所受阻力做功，重锤的机械能略减少444．在验证机械能守恒定律的实验中，已知打点计时器打点时间间隔为T，某一组同学得到了一条如图所示的纸带，在填写实验报告时，甲、乙两个同学选择了不同的数据处理方法：甲同学测出了C点到第一点O的距离hOC，利用v2C＝2ghOC计算得到了C点的速度，然后验证mghOC与12mv2C是否相等．45乙同学测出了A、B、C、D各点到第一点O的距离hOA、