高中人教版 (2019)第八章 机械能守恒定律5 实验：验证机械能守恒定律一等奖课件ppt

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8.5 实验：验证机械能守恒定律 教案【教学目标】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．【新课引入】机械能守恒定律告诉我们，在只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能相互转化时总的机械能保持不变。下面我们通过实验来研究物体运动过程中动能与重力势能的变化，从而验证机械能守恒定律。上一节课我们只是从物理学知识推导出机械能守恒定律，物理学是一门实验科学，任何规律、公式都要经得起实验的验证，本节通过实验来验证机械能守恒的定律，进一步加深对该规律的理解。【新知探究】一、实验思路在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。二、物理量测量研究对象确定后，还需要明确所需测量的物理量和实验器材。根据重力势能和动能的定义，很自然地想到，需要测量物体的质量、物体所处位置的高度以及物体的运动速度这三个物理量。三、方案设计示例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，但总的机械能保持不变．若物体某时刻瞬时速度为v，下落高度为h，则重力势能的减少量为mgh， 动能的增加量为 mv2，看它们在实验误差允许的范围内是否相等，若相等则验证了机械能守恒定律．（2）速度的测量：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间的平均速度vt＝  计算打第n个点瞬时速度的方法是：测出第n个点的相邻前后两段相等时间T内下落的距离xn和xn＋1，由公式vn＝   或vn＝ 算出，如图实所示．2、实验器材打点计时器、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台（带铁夹）、学生电源等。问题1：本实验要不要测量物体的质量？问题2：对于实际获得的纸带，如何判定纸带上的第一个点就是纸带刚开始下落时打下的呢？问题3：如何测量物体的瞬时速度? 4、实验步骤（1）器材安装：如图所示，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，此时电源开关应为断开状态．（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，用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，应先接通电源，.待计时器打点稳定后再松开纸带，让重物自由下落，打点 计时器就在纸带上打出一系列的点．取下纸带，换上新的纸带重打几条(3条～5条)．（3）选纸带：分两种情况说明 ①应选点迹清晰，且1、2两点间距离小于或接近2 mm的纸带，若1、2两点间的距离大于2 mm，这是由于先释放纸带，后接通电源造成的．这样，第1个点就不是运动的起始点了，这样的纸带不能选．②用  ＝mgΔh验证时，由于重力势能的相对性，处理纸带时，选择适当的点为基准点，这样纸带上打出的第1、2两点间的距离是否为2 mm就无关紧要了，所以只要后面的点迹清晰就可选用。 （4）求瞬时速度 在第一个打点上标出O，并从稍靠后的某一点开始，以后每隔四个点依次标出1、2、3、4…并量出各点到位置O的距离h1、h2、h3、h4….用公式vn＝ 计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3、v4 ….（5）守恒验证方法一：利用起始点和第n点计算．代入ghn和如果在实验误差允许的范围内，ghn＝则说明机械能守恒定律是正确的．方法二：任取两点计算(1)任取两点A、B测出hAB，算出ghAB(2)算出    的值．(3)如果在实验误差允许的范围内，ghAB＝则说明机械能守恒定律是正确的．方法三：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 v2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2－h图线．图象法处理数据若在误差允许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．（6）误差分析①本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力 (空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量ΔEk 稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk<ΔEp，这属于系统误差．改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力．②本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差．减小误差的办法是测下落距离时都从O点量起，一次将各打点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值．③打点计时器产生的误差A.由于交流电周期的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差；B.计数点选择不好，振动片振动不均匀，纸带放置方法不正确引起摩擦，造成实验误差．(7)注意事项①应尽可能控制实验条件，即应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：A.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．B.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．②实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直．接通电源后，等打点计时器工作稳定后再松开纸带．③验证机械能守恒时，可以不测出物体质量，只要比较和ghn是否相等即可验证机械能是否守恒．但需选取密度较大的物体做重锤，以相对减小空气阻力的影响。④测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取 的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长，有效长度可在60 cm～80 cm之间．请你尝试设计以下以下两种方案设计思路：       【课堂小结】【随堂演练】1.某同学用如图甲所示装置“验证机械能守恒定律”时，所用交流电源的频率为50 Hz，得到如图乙所示的纸带.选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起点O的距离为s0＝19.00 cm，点A、C间的距离为s1＝8.36 cm，点C、E间的距离为s2＝9.88 cm，g取9.8 m/s2，测得重物的质量为m＝1 kg.(1)下列做法正确的有____.A.必须要称出重物和夹子的质量B.图中两限位孔必须在同一竖直线上C.将连着重物的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手尽量靠近打点计时器D.实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源E.数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置(2)选取O、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是______J，打下C点时重物的速度大小是______m/s.(结果均保留三位有效数字)(3)根据纸带算出打下各点时重物的速度v，量出下落距离s，则以为纵坐标、s为横坐标画出的图像应是下列选项中的____.2.现利用如图所示装置“验证机械能守恒定律”.图中AB是固定的光滑斜面，斜面的倾角为30°，1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门，与它们连接的数字计时器都没有画出.让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2各自连接的数字计时器显示的挡光时间分别为5.00×10－2 s、2.00×10－2 s.已知滑块质量为2.00 kg，滑块沿斜面方向的长度为5.00 cm，光电门1和2之间的距离为0.54 m，g取9.80 m/s2，取滑块经过光电门时的速度为其平均速度.(结果均保留三位有效数字)(1)滑块通过光电门1时的速度v1＝______ m/s，通过光电门2时的速度v2＝_____ m/s.(2)滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为______ J，重力势能的减少量为______ J.(3)实验可以得出的结论：_______________________________.3.如图是“验证机械能守恒定律”的装置，气垫导轨上安装了1、2两个光电门，滑块上固定一竖直遮光条，滑块用细线绕过定滑轮与钩码相连，细线与导轨平行。在调整气垫导轨水平时，滑块不挂钩码和细线，接通气源后，给滑块一个初速度，使它从轨道右端向左运动，发现滑块通过光电门2的时间大于通过光电门1的时间。为使气垫导轨水平，可采取的措施是（    ）A．调节P使轨道左端升高一些B．调节P使轨道左端降低一些C．遮光条的宽度应适当大一些D．滑块的质量增大一些   4.利用如图所示的装置探究系统机械能守恒，在滑块B上安装宽度为L(较小)的遮光板(遮光板质量忽略不计)，把滑块B放在水平放置的气垫导轨上，通过跨过定滑轮的绳与钩码A相连，连接好光电门与数字毫秒计，两光电门间距离用s表示.数字毫秒计能够记录遮光板先后通过两个光电门的时间Δt1、Δt2，当地的重力加速度为g.请分析回答下列问题：(做匀变速直线运动物体极短时间内的平均速度近似为该时间段内任意时刻的瞬时速度)(1)为完成验证机械能守恒的实验，除了上面提到的相关物理量之外，还需要测量的量有              (均用字母符号表示，并写清每个符号表示的物理意义)；(2)滑块先后通过两个光电门时的瞬时速度v1＝____、v2＝____(用题中已给或所测的物理量符号来表示)；(3)在本实验中，验证机械能守恒的表达式为____________________________________(用题中已给或所测的物理量符号来表示).5.利用气垫导轨“验证机械能守恒定律”，实验装置如图甲所示.水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨，导轨上有一装有长方形挡光片的滑块，总质量为M，滑块左端由跨过光滑轻质定滑轮的细绳和一质量为m的小球相连.导轨上的B点有一光电门，可以测量挡光片经过光电门的时间t.实验时滑块由A处静止释放，用L表示A、B两点间的距离，d表示挡光片的宽度.(1)某次实验导轨的倾角为θ，设重力加速度为g，则滑块从A点到通过B点时m和M组成的系统的动能增加量ΔEk＝________，系统的重力势能减少量ΔEp＝______________，在误差允许的范围内，若ΔEk＝ΔEp，则可认为系统的机械能守恒.(2)设滑块经过B点的速度为v，某同学通过改变A、B间的距离L，测得倾角θ＝37°时滑块的v2－L的关系如图乙所示，并测得M＝0.5m，则重力加速度g＝______ m/s2(结果保留两位有效数字，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8).答案见PPT课件