高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律图片课件ppt

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1.理解验证机械能守恒定律的原理。会设计实验方案,确定需要测量的物理量,并采用正确的方法测量相关的物理量。(科学思维)2.能够控制实验条件,正确进行实验操作,获取物体下落的高度和速度大小等数据,会分析动能增加量小于重力势能减少量的原因,并采取相应措施,以减小实验误差。(科学探究)3.树立实事求是的科学态度,培养认真严谨的科学精神。(科学态度与责任)
一、实验思路1.实验满足的条件:研究过程一定要满足只有重力或弹力做功。2.减少阻力的方法:重物下落或小球摆动时不可能不受空气阻力的作用,物体沿斜面滑下时也会受斜面的滑动摩擦力,根据前面做过的力学实验,你认为有哪些方法可以减少阻力?重物选取密度大、体积小的物体,可以减小空气阻力的影响;利用气垫导轨替代斜面等。
二、物理量的测量根据重力势能和动能的定义,实验中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、数据分析根据选定的实验方案和记录的实验数据,采用以下两种方法验证机械能是否守恒。1.计算物体在选定位置(任意两个位置)上动能与势能的和是否满足
2.计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足
四、参考案例参考案例一　研究自由下落物体的机械能
1.【实验器材】实验装置如图所示,实验用到的器材有: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。
2.【实验原理】实验中比较重物在某两点间动能的变化与重力势能的变化是否相等,就能验证机械能守恒。(1)测量重物下落过程中重力势能的变化:重物的质量用天平测出,纸带上某两点的距离等于重物下落的高度,用毫米刻度尺测量,这样就能得到重物下落过程中重力势能的变化。
(2)测量重物在某点的动能:纸带上第n个点的瞬时速度等于这个点前后相邻两点间的平均速度vn= (hn+1、hn-1分别为第n+1个点、第n-1个点到第一个点的距离,T为打点时间间隔)。
你认为他们三人的计算正确吗?
要点点拨 小明的计算是正确的,小丽和小红的计算是不正确的,她们用了下落过程中a=g,即只受重力作用,也就是先入为主地用机械能守恒来验证机械能守恒了。
2.实验时,其实可以不测量物体的质量,想一想,这是为什么?ΔEp=mgΔh和
参考案例二　研究沿斜面下滑物体的机械能1.【实验器材】气垫导轨、数字毫秒计(光电门)、气泵、滑块(含遮光条)、交流电源
2.【实验原理】滑块沿气垫导轨(与光滑斜面相当)下滑高度为Δh,通过两个光电门的速度分别为v1、v2。(1)根据“物体在某时刻的速度等于物体在包含这一时刻在内的非常短时间内的平均速度”可求出滑块的速度
1.正误辨析,判断结果为错误的小题说明原因。(1)在参考案例一中,为了减小阻力的影响,实验所用重物只要选择质量较大的物体即可。(　　)答案 ×解析 应选择密度较大且质量较大的重物。
(3)在参考案例一中,实验时,应先打开打点计时器电源,待打点稳定后再释放重物。(　　)答案 √(4)在参考案例一、二实验中均需要用到天平。(　　)答案 ×
(5)在参考案例二中,滑块在某位置的速度v= (d为遮光条宽度,Δt为遮光时间)。(　　)答案 √
2.(多选)在参考案例一实验中,下列器材中哪些为必需的(　　)A.打点计时器(包括纸带)B.重物C.天平D.毫米刻度尺E.秒表F.运动小车答案 ABD
实验中,某同学计算出各点对应速度的二次方值,并测出从第一个点到这点高度差h,作出v2-h图像,如图所示,为了验证机械能守恒定律,他应该做哪些分析?
要点提示 计算出直线斜率k,若在误差允许的范围内k=2g,则验证了机械能守恒定律。
参考案例一　研究自由下落物体的机械能1.【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点到计数点1、2、3…的距离,即为对应下落的高度h1、h2、h3…
2.【数据处理】 (1)方法一:利用起始点和第n点
(2)方法二:任取两点A、B
(3)方法三:图像法
参考案例二　研究沿斜面下滑物体的机械能1.【实验步骤】(1)调装置:把气垫导轨调成倾斜状态;安装两个数字毫秒计,使其相距较远;(2)接气源:接通气泵电源,使滑块沿倾斜导轨下滑并先后通过两个数字毫秒计;(3)测数据:测量滑块的质量m、下降的高度Δh(两个数字毫秒计间的高度差),记录遮光条的宽度d和两次的遮光时间Δt1、Δt2。
例1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 mv2,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:
(1)关于上述实验,下列说法正确的是　　　　　(填选项前的字母)。 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= 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27.94 cm、32.78 cm、38.02 cm、43.65 cm、49.66 cm、56.07 cm。已知打点计时器所用的电源是50 Hz的交流电,重物的质量为0.5 kg,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9.8 m/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为纵轴作出图像,如图丙所示,根据作出的图像,能粗略验证自由下落的物体机械能守恒的依据是　　　　　　　　　　　　　。 
答案 (1)BC　(2)2.14　2.12　重物下落过程中受到阻力作用　(3)图像的斜率等于19.52,约为重力加速度g的两倍,故能验证
例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,与它们连接的光电计时器都没有画出。让滑块从斜面的顶端滑下,光电门1、2各自连接的光电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) 
(1)滑块经过光电门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。
答案 (1)1.00　2.50　(2)5.25　5.29
实验时,有同学根据自由落体运动的位移公式h= gt2计算出纸带上第1、2两点间的距离应该接近2 mm,所以选择纸带时一定选择满足这一条件的纸带,你认为他说的正确吗?为什么?
要点提示 不正确。如果根据公式ghAB= 来验证机械能守恒定律,不需要用到开头的点,所以这一要求就没有必要了。
参考案例一　研究自由下落物体的机械能1.【误差分析】(1)在进行长度测量时,测量及读数不准造成误差。(2)重物下落要克服阻力做功,从而导致重物的动能变化量略小于对应的重力势能的变化量。(3)由于交变电流的周期不稳定,造成打点时间间隔变化而产生误差。
2.【注意事项】 (1)打点计时器安装要稳固,并使两限位孔的中线在同一竖直线上,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,可使空气阻力的影响相对减小。(3)实验时,应先接通电源,让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落。(4)重物下落过程的始点和终点应适当远些。(5)本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m。
参考案例二　研究沿斜面下滑物体的机械能1.【误差分析】 (1)测量滑块下滑高度不准确造成误差。(2)滑块下滑过程中不可避免地要克服阻力做功,从而导致动能的变化量略小于对应的重力势能的变化量。2.【注意事项】 (1)气垫导轨的轨面不能敲、碰,如果有灰尘污物,可用棉球蘸酒精擦净。(2)适当增大两个光电门之间的距离。(3)滑块内表面光洁度很高,严防划伤,更不容许掉在地上。(4)实验时保持气垫导轨的气流通畅,只有气轨喷气,才可将滑块放在气轨上面;实验完毕,先从气轨上取下滑块,再关气源,以避免划伤气轨。
例3某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律,其中打点计时器的电源为交流电源,其频率为40 Hz,打出纸带的一部分如图乙所示。
(1)已测得s1=8.89 cm,s2=9.50 cm,s3=10.10 cm;当地重力加速度大小为9.8 m/s2,重物的质量为m=1.00 kg。若从打出的纸带可判定重物匀加速下落,请计算在打点计时器打出B点时重物下落的速度大小为　　　　 m/s,打出C点时重物下落的速度大小为　　　　 m/s。 (2)打点计时器打出B点到打出C点的过程中,重物增加的动能　　　　(选填“大于”“等于”或“小于”)减小的重力势能。造成这一现象的原因是　　　　(填下列选项前的字母)。 A.有阻力存在B.打点计时器打B点时的速度不为零
(3)如果此实验用于测量当地的重力加速度,且实验允许的相对误差绝对值( ×100%)最大为3%,则此次实验是否成功?通过计算说明。
答案 (1)3.68　3.92　(2)小于　A　(3)实验成功　计算过程见解析
1.在利用落体法验证机械能守恒定律的实验中,以下说法正确的是(　　)A.实验中摩擦是不可避免的,因此纸带越短越好,因为纸带越短,克服摩擦力做的功就越小,误差就越小B.实验时应称出重锤的质量C.纸带上第1、2两点间距若不接近2 mm,则无论怎样处理实验数据,实验误差一定较大D.处理打完点的纸带时,可以直接利用打点计时器打出的实际点迹,而不必采用“计数点”的方法
2.用下图所示装置验证机械能守恒定律,由于打点计时器两限位孔不在同一竖直线上,使纸带通过时受到较大的阻力,这样实验造成的结果是(　　)A.重力势能的减少量明显大于动能的增加量B.重力势能的减少量明显小于动能的增加量C.重力势能的减少量等于动能的增加量D.以上几种情况都有可能
答案 A解析 由于重物下落时要克服阻力做功,重物减少的重力势能转化为重物的动能和系统的内能,故重力势能的减少量大于动能的增加量,A正确。
3.某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律,通过实验数据分析,发现本实验存在较大的误差。为此改用如图乙所示的实验装置:通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落,下落过程中经过光电门B时,通过与之相连的毫秒计时器(图中未画出)记录挡光时间t,用毫米刻度尺测出AB之间的距离h,用游标卡尺测得小铁球的直径d(d≪h),重力加速度为g。则小铁球经过光电门时的瞬时速度v=　　　　　。如果d、t、h、g满足关系式t2=　　　　　,就可验证机械能守恒定律。比较两个方案,改进后的方案相比原方案最主要的优点是　　　　　　　　　　　　　　。 
4.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,小球质量m=0.2 kg。(当地重力加速度g取9.8 m/s2,结果保留三位有效数字)
(1)从t2到t5时间内,重力势能增加量ΔEp=　　　　 J,动能减少量ΔEk=　　　　 J。 (2)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　　　　ΔEk(选填“>”“<”或“=”),造成这种结果的主要原因是　　　　　　　　　　　　　。 
答案 (1)1.42　1.46　(2)<　空气阻力的存在
解析 (1)重力势能增加量:ΔEp=mg(h2+h3+h4)=0.2×9.8×(26.68+24.16+21.66)×10-2 J=1.42 J在匀变速直线运动中,中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度,所以有
(2)由上述计算得ΔEp<ΔEk造成这种结果的主要原因是空气阻力的存在,导致动能的减少量没有全部转化为重力势能。
5.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用游标卡尺测出挡光条的宽度l=9.30 mm。③由导轨标尺读出两光电门中心间的距离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m1,再称出托盘和砝码的总质量m2。
(2)用直接测量出的物理量的字母写出下列物理量的表达式。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=　　　　　　　　,Ek2=　　　　　　　　。 ③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中,系统重力势能的减少量ΔEp=　　　　　　(重力加速度为g)。 (3)如果ΔEp=　　　　　　,则可认为验证了机械能守恒定律。 
答案 (1)③60.00(59.96~60.04均正确)
解析 (1)③距离s=80.30 cm-20.30 cm=60.00 cm。(2)①由于挡光条宽度很小,因此可以将挡光条通过光电门时的平均速度当成瞬时速度,挡光条的宽度l可用游标卡尺测量,挡光时间Δt可从数字计时器上读出。因此,滑块通过光电门1和光电门2时的瞬时速度分别为
②当滑块通过光电门1和光电门2时,系统的总动能分别为
③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中,系统重力势能的减少量ΔEp=m2gs。(3)如果在误差允许的范围内ΔEp=Ek2-Ek1,则可认为验证了机械能守恒定律。
6.用如图甲所示实验装置验证m1、m2组成的系统机械能守恒。m2从高处由静止开始下落,打点计时器在m1上拖着的纸带打出一系列的点,已知打点计时器所用的电源是50 Hz的交流电,对纸带上的点迹进行测量,即可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获得的一条纸带,0是打下的第一个点,每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出),计数点间的距离如图所示。已知m1=50 g,m2=150 g,则:(结果保留两位有效数字)
(1)从纸带上打下计数点5时的速度v=　　　　 m/s。 (2)从打下第“0”点到打下第“5”点的过程中系统动能的增加量ΔEk=　　　　 J,系统势能的减少量ΔEp=　　　　 J。(重力加速度g取10 m/s2) 
答案 (1)2.4　(2)0.58　0.60
7.(2021山东德州模拟)某同学设计了如图所示的装置来“验证机械能守恒定律”。将量角器竖直固定在铁架台上,使直径边水平,将小球通过一段不可伸长的细线固定到量角器的圆心O处,在铁架台上O点正下方安装光电门(图中未画出),实验时,让小球在紧贴量角器的竖直平面内运动,调整好光电门,使小球的球心刚好能通过光电门的细光束。
(1)以下列举的物理量中,本实验必须测量的物理量有　　　　(填选项前的字母)。 A.小球的质量m B.小球的直径dC.细线的长度L D.小球的运动周期T(2)图中细线偏离竖直方向的初始偏角为　　　　。 
(3)实验时,将小球拉开,使细线与竖直方向偏离一定的角度θ,将小球由静止释放,测出小球通过光电门的时间t,则小球通过最低点时的速度为　　　　;如果这一过程中小球的机械能守恒,则题中各物理量应遵循的表达式为　　　　　　　　　　。 
(4)多次实验,由实验数据作出了 -cs θ图线,则实验所得的图线应该是　　　　。 
(2)由题图可知,图中细线偏离竖直方向的初始偏角为30.0°。