人教版 (2019)5 实验：验证机械能守恒定律获奖ppt课件

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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)
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
一、实验思路机械能守恒的前提是“只有　　　　　　做功”,因此研究过程一定要满足这一条件。 情形1:自由下落的物体只受到　　　　作用,满足机械能守恒的条件。 
实际中只要重力远大于阻力就可以
情形2:物体沿光滑斜面下滑时,虽然受到重力和斜面的支持力,但支持力与物体位移方向垂直,对物体　　　　　　,也满足机械能守恒的条件。　　　
实际中不存在,只能尽量减少摩擦
二、物理量的测量及数据分析只有重力做功时,只发生重力势能和动能的转化。
(2)需测量的物理量:物体所处位置的　　　,及物体的　　　　　　　　。 
两边都与质量成正比,因此不需要测量质量
运动过程中经过的任意两个状态
易错辨析(1)任何运动过程都可以设计实验来验证机械能守恒定律。(　　)(2)可以利用平抛运动过程设计实验来验证机械能守恒定律。(　　)(3)在“验证机械能守恒定律”的实验中,物体运动过程中经过两个位置的机械能必须严格相等,才能说明机械能是守恒的。(　　)(4)在“验证机械能守恒定律”的实验中,要测量物体经过两个位置的动能,必须测量物体经过两个位置的瞬时速度。(　　)
解析 必须满足机械能守恒条件的过程才能验证机械能守恒定律。
解析 只要在误差允许的范围内物体经过两个位置的机械能相等,就说明机械能是守恒的。
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。
探究点一　教材原型实验
(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
(3)方法三:图像法
3.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。
4.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.实验步骤
(1)安装:将气垫导轨放在水平桌面上并调成倾斜状态后通电,气泵给导轨送气。(2)测量:用游标卡尺测量滑块上遮光条的宽度d和用刻度尺测量两光电门间的竖直高度Δh。(3)释放:将滑块移至靠近导轨顶端某处并由静止释放。(4)记录:记录滑块通过两光电门的时间Δt1、Δt2。
2.数据处理(1)系统动能的变化量的计算①由遮光条的宽度d及由光电门记录的遮光条通过两光电门的时间Δt1、
(2)系统重力势能的变化量的计算由公式ΔEp=mgΔh算出系统重力势能的减少量。
3.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。4.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1】 如图甲所示,打点计时器固定在铁架台上,使重物带动纸带从静止开始自由下落,利用此装置“验证机械能守恒定律”。
(1)某同学列举实验中用到的实验器材为:铁架台、打点计时器、纸带、秒表、交流电源、导线、重锤、天平。其中不必要的是　　　　、　　　　。
(2)在一次实验中,质量为1 kg的重物自由下落,在纸带上打出一系列的点,如图乙所示。O为打点计时器打下的第一个点,若纸带上相邻两个点之间时间间隔为0.02 s,从起点O到打下记数点B的过程中,重力势能减少量ΔEp=　　　　 J,此过程中物体动能的增加量ΔEk=　　　　 J(g取9.8 m/s2,结果均保留两位有效数字);通过计算,数值上ΔEp　　　　ΔEk(选填“>”“=”或“ΔEk,这是因为重物下落过程中存在摩擦阻力做负功。
1.(2023河南周口高一期末)为了验证物体沿光滑斜面下滑的过程中机械能守恒,某学习小组用如图所示的气垫导轨装置(包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条、数字毫秒计)进行实验,此外可供使用的实验器材还有:天平、刻度尺等。
(1)某同学设计了如下的实验步骤,其中不必要的步骤是　　　　; ①在导轨上选择两个适当的位置A、B安装光电门Ⅰ、Ⅱ,并连接数字毫秒计;②用天平测量滑块和遮光条的总质量m;③已知遮光条的宽度d;④通过导轨上的标尺测出A、B之间的距离l;⑤调整好气垫导轨的倾斜状态;⑥将滑块从光电门Ⅰ左侧某处,由静止开始释放,从数字毫秒计读出滑块通过光电门Ⅰ、Ⅱ的时间Δt1、Δt2;⑦用刻度尺分别测量A、B点到水平桌面的竖直高度h1、h2;⑧改变气垫导轨倾斜程度,重复步骤⑤⑧⑦,完成多次测量。
(2)某次实验中,已知d=5.00 mm,测得Δt1=11.60 ms,则滑块通过光电门Ⅰ的瞬时速度v1=　　　　 m/s(保留3位有效数字)。 (3)在误差允许范围内,若h1-h2=　　　　　　　　(用上述必要的实验步骤直接测量的物理量符号表示,已知重力加速度为g),则认为滑块下滑过程中机械能守恒。 
1.用光电门测定小球下落的速度。利用光电门测出挡光条通过光电门的时间Δt,从而利用v= 计算滑块通过光电门的速度。可以用一个光电门进行实验(如图所示),测出金属球下落到某位置的瞬时速度,选从释放位置到光电门所在的位置进行验证,也可以用两个光电门进行验证,测出小球下落过程中经过的这两个位置的瞬时速度。
探究点二　实验拓展创新
2.利用系统机械能守恒代替单个物体的机械能守恒(如图所示)。原理是验证重物重力势能的减少量是否等于重物和滑块整体动能的增加量。
3.小球在重力作用下做自由落体运动或竖直上抛运动,利用频闪照片获取实验数据(如图所示)。实验数据的处理方法跟课本原型实验相同。
【例2】 (2023山东潍坊高一期末)某实验小组利用气垫导轨做验证机械能守恒定律的实验,实验装置如图所示。
主要实验步骤如下:Ⅰ.将气垫导轨放在水平桌面上,将导轨调至水平;Ⅱ.测出遮光条的宽度d;Ⅲ.将滑块移至图示位置,释放滑块,记录遮光条通过光电门的挡光时间Δt;Ⅳ.用天平称出钩码质量m,滑块及遮光条总质量m0。
已知重力加速度大小为g,请回答下列问题:(1)滑块经过光电门时的瞬时速度大小为　　　　; (2)实验中还需要测量的物理量有　　 　　　　　　　　　　　(注明物理量并用相应的字母表示); (3)在实验误差允许的范围内等式　　　　　　　　　　　　　　成立,则钩码和滑块组成的系统机械能守恒(用测量的物理量符号表示); (4)该实验产生系统误差的主要原因有   　。 
滑块释放位置到光电门的距离L
钩码和滑块运动过程中受到空气阻力影响
解析 (1)由于d和Δt都较小,所以滑块经过光电门时的瞬时速度可以用遮光时间内的平均速度来近似代替,即v= ;
(2)在钩码质量m和滑块及遮光条质量m0已知的情况下,通过上式可以求得系统动能的增加量,若要验证机械能守恒,还需知道系统重力势能的减少量,即需要知道钩码下落的高度,而这一高度等于滑块释放位置到光电门的距离L,可通过导轨上标尺直接测量;
(3)在误差允许范围内,若钩码和滑块组成的系统机械能守恒,则相应物理
(4)该实验产生系统误差的主要原因是钩码和滑块运动过程中受到空气阻力影响。
2.用如图甲所示的实验装置验证质量分别为m1、m2的物块1、2组成的系统机械能守恒。物块2从高处由静止开始下落,物块1上拖着的纸带通过打点计时器打出一系列的点,对纸带上的点迹进行测量,经过数据分析即可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获取的一条纸带: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乙所示。打点计时器接50 Hz的交流电源,已知m1=50 g、m2=150 g。
(1)在计数点0~5点过程中,系统动能的增量ΔEk=　　　　 J。系统势能的减少量ΔEp=　　　　 J。(计算时g取10 m/s2,结果均保留两位有效数字) (2)若某同学作出 -h图像如图丙所示,则当地的重力加速度g=　　 m/s2。(结果保留两位有效数字) 
解析 (1)每相邻两个计数点之间还有4个点(图中未标出),可知相邻两个计数点的时间间隔为T=0.1 s。根据在匀变速直线运动中中间时刻的瞬时速度大小等于该过程中的平均速度大小,可以求出打下记数点5时的速度大