人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律课文配套课件ppt

这是一份人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律课文配套课件ppt，共56页。PPT课件主要包含了实验必备·自主学习，毫米刻度尺，实验过程·探究学习，接通电源，实验研析·创新学习，创新评价，课堂检测·素养达标等内容，欢迎下载使用。

一、实验目的　会用打点计时器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)、电磁打点计时器、重物(带夹纸带的夹子)、纸带、复写纸、导线、___________、低压交流电源。
【思考·讨论】　采用哪些措施可以减小实验误差?提示:(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。
三、实验原理与设计1.实验的基本思想——验证性实验:让重物自由下落,忽略阻力情况下重物的机械能守恒,有两种方案验证重物的机械能守恒:(1)以重物下落的起始点O为基准,测出重物下落高度h时的速度大小v,若 mv2=mgh成立,则可验证重物的机械能守恒。(2)测出重物下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2,若关系式 =mgh成立,则重物的机械能守恒。
2.实验设计——两个物理量的测量方法:(1)高度h的测量:用刻度尺测量重物下落过程的高度h。(2)速度v的测量:利用匀变速直线运动中某段时间的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度,来求某点的瞬时速度。
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有两点间的距离约为2 mm的纸带,把纸带上打出的两点间的距离为2 mm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…
【思考·讨论】　(1)在实验中,使用打点计时器需要注意的事项有哪些?提示:①打点前,应使重物停在_____(选填“靠近”或“远离”)打点计时器的位置。②打点时,应先_________,待打点计时器打点_____后,再松开纸带。③打点计时器不能连续工作太长时间,打点之后应立即关闭电源。
(2)在实验中,测量数据时要注意的事项有哪些?提示:①对纸带进行测量时,不要分段测量各段的位移,正确的做法是一次测量完毕,即统一测量出各个计数点到起始点O之间的距离。②为减小实验误差,1、2、3、4…不一定是连续的计时点,可以每5个点(中间隔4个点)取一个计数点,此时两计数点的时间间隔T=0.1 s。
数据收集与分析 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= ,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 ,计算ghn和 ,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。方法二:任取两点A、B。从A点到B点,重力势能减少量为mghAB,动能增加量为 ,计算ghAB和 ,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。
方法三:图像法。计算各计数点 v2,以 v2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 v2-h图线,如图所示。若在误差许可的范围内图像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。
　 【思考·讨论】(1)实验完毕如何选取纸带?(科学思维)提示:应选用长度60 cm左右、点迹清晰的纸带进行测量。(2)测量速度时能否用公式vt=gt计算?为什么?提示:不能。因为这成了用机械能守恒定律验证机械能守恒。
误差分析 1.在进行长度测量时,测量及读数不准造成偶然误差。2.系统误差的主要来源是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系统误差。
【思考·讨论】　请从重物的选取上说明如何减小实验的系统误差?提示: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。
　 类型一　教材原型实验角度1 实验原理和实验操作【典例1】(2020·新乡高一检测)如图甲为验证“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:
(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.刻度尺B.秒表C.0～12 V的直流电源D.0～12 V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错误的步骤是________。 
(3)实验中误差产生的原因有          __(写出两个原因)。 (4)利用这个装置也可以测量重锤下落的加速度a的数值。根据打出的纸带,选取纸带上连续的五个点A、B、C、D、E,测出各点之间的距离如图乙所示。使用交流电源的频率为f,则计算重锤下落的加速度的表达式a=________。(用x1、x2、x3、x4及f表示) 
【解析】(1)为完成此实验,除了所给的器材外,还需要刻度尺、0～12 V的交流电源。(2)其中操作错误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力以及空气阻力;用刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差;计算重力势能变化时,选取初、末两点距离过近;交流电源频率不稳定等。(4)由Δx=aT2得:
答案:(1)A、D　(2)B　(3)纸带与打点计时器之间有摩擦力以及空气阻力;用刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差;计算重力势能变化时,选取初、末两点距离过近;交流电源频率不稳定(任选两个便可)　(4)
【实验改进】利用光电门测速度通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落,下落过程中小铁球经过光电门B时,毫秒计时器(图中未画出)记录下小铁球的挡光时间t。实验前调整光电门位置,使小铁球下落过程中,小铁球球心垂直细激光束通过光电门,当地重力加速度为g。
角度2 实验数据处理【典例2】(2020·襄阳高一检测)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的一部分损坏,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并标在图中,单位是cm。打点计时器工作频率为50 Hz,重物的质量为m,重力加速度g取9.8 m/s2。
(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=________。由以上可得出实验结论__ __。 (2)重物获得的动能往往________(选填“大于”“小于”或“等于”)减少的重力势能,实验中产生系统误差的原因是__ __ __ __ __ __。 (3)根据实验判断下列图像正确的是(其中ΔEk表示重物动能的变化量,Δh表示物体下落的高度)(　　)
【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= m/s=1.50 m/s,重物在5点的速度v5= m/s=2.08 m/s,所以动能增加量为ΔEk= =1.04m J,重物从2点到5点,重力势能减少量为ΔEp=mgh25=m×9.8×(3.2+3.6+4.0)×10-2 J=1.06m J,由以上可得出实验结论为:在误差允许的范围内,重物机械能守恒。
(2)由于纸带受到摩擦力作用以及重物受到空气阻力作用,需克服摩擦力和空气阻力做功,所以获得的动能小于减少的重力势能。(3)在误差允许的范围内,重物机械能守恒,重物减少的重力势能转化为增加的动能,即ΔEk=mgΔh,可见重物增加的动能与下落的距离成正比,选项C正确。答案:(1)1.50 m/s　2.08 m/s　1.04m J　1.06m J　在误差允许的范围内,重物机械能守恒(2)小于　纸带受到摩擦力作用以及重物受到空气阻力作用(3)C
　 类型二　创新型实验【典例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桌面上,桌面高度不低于1 m,将导轨调至水平;②用游标卡尺测量挡光条的宽度为l=9.30 mm;③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离x=______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时的瞬时速度分别为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】(1)③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离x=80.30 cm-20.30 cm=60.00 cm。(2)①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看作瞬时速度,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 ,则通过光电门1时瞬时速度为 ,通过光电门2时瞬时速度为 。
②由于质量事先已用天平测出,由公式Ek= mv2,可得滑块通过光电门1时系统动能Ek1= (M+m)( )2,滑块通过光电门2时系统动能Ek2= (M+m)( )2。末动能减初动能可得动能的增加量。③两光电门中心之间的距离x为砝码和托盘下落的高度,系统势能的减小量 =mgx(3)最后对比Ek2-Ek1与 数值大小,若在误差允许的范围内相等,就验证了机械能守恒定律。
答案:(1)③60.00　(2)① 　 ② (M+m)( )2　 (M+m)( )2　③mgx(3)Ek2-Ek1
【创新探究】　(1)如何测量滑块经过光电门的瞬时速度?提示:由于滑块通过光电门的时间Δt非常短,在这段时间内滑块的运动可以近似看作匀速直线运动,所以可认为滑块通过光电门时的瞬时速度等于其通过光电门的平均速度,即v= 。(2)怎样提高实验的准确性? 提示:换用宽度更窄一些的挡光条。
1.在做“验证机械能守恒定律”的实验时,发现重物减少的重力势能总是略大于重物增加的动能,造成这种现象的主要原因是(　　)A.选用的重物质量过大B.选用的重物质量过小C.空气对重物的阻力和打点计时器对纸带的阻力D.实验时操作不规范,实验数据测量不准确【解析】选C。造成题中所述误差的主要原因是来自各方面的阻力,选项C正确。
2.(2020·滕州高一检测)利用自由落体运动可测量重力加速度。有两组同学分别利用下面甲、乙两种实验装置进行了实验,其中乙图中的M为可恢复簧片,M与触头接触,开始实验时需要手动敲击M断开电路,使电磁铁失去磁性释放第一个小球,当前一个小球撞击M时后一个小球被释放。
(1)下列说法正确的有________。 A.两种实验都必须使用交流电源B.甲实验利用的是公式Δx=gT2;乙实验利用的是公式h= gt2,所以都需要用秒表测量时间,用直尺测量距离C.甲实验要先接通电源,后释放纸带;乙实验应在手动敲击M的同时按下秒表开始计时D.这两个实验装置均可以用来验证机械能守恒定律
(2)图丙是用甲实验装置进行实验后选取的一条符合实验要求的纸带,O为第一个点,A、B、C为从合适位置开始选取的三个连续点(其他点未画出)。已知打点计时器每隔0.02 s打一次点,可以计算出重力加速度g=________m/s2(结果保留两位有效数字)。 
(3)用乙实验装置做实验,测得小球下落的高度H=1.200 m,10个小球下落的总时间t=5.0 s。 可求出重力加速度g=__________m/s2(结果保留两位有效数字)。 
【解析】(1)甲图利用的打点计时器,需用交流电源;乙图利用的电磁铁,应通直流电,故选项A错误;甲图的时间间隔由交流电的频率可以得出,不需用秒表测量,故选项B错误;甲实验中使用打点计时器,应先通电再释放,乙图中手动敲击M的同时按下秒表计时,记录的是从第一个小球开始下落到最后一个小球撞击M的总时间,故选项C正确;甲实验可以验证机械能守恒定律;乙实验中可以测量小球下落的高度h,根据测得的小球下落时间t,由 可以求得小球撞击M时的速度,从而验证mgh和 mv2的关系,从而验证机械能守恒定律,故选项D正确。
(2)由题意知sAB=19.20 cm-15.55 cm=3.65 cm=0.0365 msBC=23.23 cm-19.20 cm=4.03 cm=0.0403 m由Δs=aT2可知a= m/s2=9.5 m/s2(3)由题意可知一个小球下落的时间为T=0.5 s,由h= gt2可知g= m/s2=9.6 m/s2。答案:(1)C、D　(2)9.5　(3)9.6
3.某小组设计了图(a)所示的装置验证机械能守恒定律(已知重力加速度为g)。
(1)所用传感器的名称是____________________________; (2)以下实验步骤中不必要的是________;(填字母标号) A.将小车从轨道上某处释放,测出经过两个传感器的速度v1和v2(轨道摩擦可忽略)B.在轨道上安装两个传感器,测出它们的高度差hC.连接DIS实验线路D.测出小车的总质量m(3)多次改变两个传感器的距离,测得h及对应的v1和v2,取Δv2= ,并作出Δv2-h图像,如图(b)所示。实验中每次释放小车的位置__________(选填“必须”或“不必”)相同;该图线的斜率k=________。 
【解析】(1)根据图像可知所用传感器的名称是光电门传感器;(2)根据机械能守恒定律可知:mgh= ,所以需要连接DIS实验线路测出小车经过两个传感器的时间,进一步求出速度v1和v2,另外还需要测量两个传感器的高度差h;小车的总质量m可以约去,不需要测量,故不需要测量的是D。 (3)多次改变两个传感器的距离,实验中每次释放小车的位置不必相同,根据mgh= ,可得Δv2=2gh,作出Δv2-h图像,该图线的斜率k=2g。答案:(1)光电门传感器　(2)D　(3)不必　2g
4.(2020·成都高一检测)某同学利用竖直上抛小球的频闪照片验证机械能守恒定律。频闪仪每隔0.05 s闪光一次,图中所标数据为实际距离,该同学通过计算得到不同时刻的速度如表所示(当地重力加速度g取9.8 m/s2,小球质量m=0.2 kg,计算结果保留三位有效数字):
(1)由频闪照片上的数据计算t5时刻小球的速度v5=______m/s; (2)从t2到t5时间内,重力势能增加量ΔEp=________J,动能减少量ΔEk=________J; (3)在误差允许的范围内,若ΔEp与ΔEk近似相等,则验证了机械能守恒定律。由上述计算得ΔEp________(选填“>”“<”或“=”)ΔEk,造成这种结果的主要原因是__ __。 
【解析】(1)t5时刻小球的速度v5= ×10-2 m/s=3.48 m/s;(2)从t2到t5时间内,重力势能增加量ΔEp=mgh25=0.2×9.8×(23.68+21.16+18.66)×10-2 J=1.24 J,动能减少量ΔEk= =1.28 J;(3)ΔEp<ΔEk,造成这种结果的主要原因是上升过程中存在空气阻力。答案:(1)3.48　(2)1.24　1.28(3)<　上升过程中存在空气阻力
5.“验证机械能守恒定律”的实验可以采用如图所示的甲或乙方案来进行。
(1)比较这两种方案,________(选填“甲”或“乙”)方案好些。 (2)如图丙是某种方案得到的一条纸带,测得每两个计数点间距离如图所示,已知每两个计数点之间的时间间隔T=0.1 s,物体运动的加速度a=________m/s2(结果保留三位有效数字);该纸带是采用________(选项“甲”或“乙”)实验方案得到的。 
(3)如图丁是采用甲方案时得到的一条纸带,在计算图中N点速度时,几位同学分别用下列不同的方法进行,其中正确的是(　　) A.vN=gnT　　　　　　　　　　B.vN= C.vN= D.vN=g(n-1)T
【解析】(1)比较甲、乙两种方案,乙方案中产生的阻力对实验的影响大于甲方案,因此甲方案好些。(2)由题意得:a= =4.83 m/s2,所以该纸带是采用乙实验方案得到的。(3)计算N点速度应利用实验得到的纸带,经测量计算得出,所以应选B、C。答案:(1)甲　(2)4.83　乙　(3)B、C
6.(2020·三亚高一检测)某探究小组利用传感器研究小球在摆动过程中的机械能守恒定律,实验装置如图甲所示,在悬点处装有拉力传感器,可记录小球在摆动过程中各时刻的拉力值,小球半径、摆线的质量和摆动过程中摆线长度的变化可忽略不计。实验过程如下:
(1)测量小球质量m、摆线长L。(2)将小球拉离平衡位置在某一高度处无初速度释放,在传感器采集的数据中提取最大值为F,小球摆到最低点时动能的表达式为________________(用上面给定物理量的符号表示)。 (3)改变释放高度h,重复上述过程,获取多组摆动高度h与对应过程的拉力最大值F的数据,在F-h坐标系中描点连线。
(4)通过描点连线,发现F与h成线性关系,如图乙所示,可证明小球摆动过程中机械能守恒。(5)根据F-h图线中数据,可知小球质量m=________kg,摆线长L=________m(计算结果保留两位有效数字,重力加速度g取10 m/s2)。