高中物理5 实验：验证机械能守恒定律评课ppt课件

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上节课，我们学习了“机械能守恒定律‘。知道只有在重力或弹力做功的物体系统内，动能和势能可以互相转化，而总的机械能保持不变。那么对于机械能守恒定律是否成立？今天我们将通过实验，来验证机械能守恒定律。
实验器材 铁架台(含铁夹)，打点计时器，学生电源，纸带，复写纸，导线，毫米刻度尺，重物(带纸带夹)。实验步骤1．安装置：如图所示，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。
误差分析1．系统误差：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。改进的办法是调整器材的安装，尽可能地减小阻力。2．偶然误差：本实验在长度测量时产生的误差。减小误差的办法是测下落距离时都从0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来减小误差。
实验改进1．物体下落过程中通过某一位置的速度可以用数字计时器测出来，利用这种装置验证机械能守恒定律，能消除纸带与限位孔的摩擦阻力带来的系统误差。
2．整个实验装置可以放在真空的环境中操作，如用牛顿管和频闪照相进行验证，以消除由于空气阻力作用而带来的误差。3．为防止重物被释放时的初速度不为零，可将装置改成如图所示形式，剪断纸带最上端，让重物从静止开始下落。实验方案2　　研究沿斜面下滑物体的机械能本方案中，利用气垫导轨和数字计时器记录物体沿光滑斜面下滑的运动过程。气垫导轨上有很多小孔，气泵送来的压缩空气从小孔喷出，使得滑块与导轨之间有一层薄薄的空气层，两者不会直接接触。这样，滑块运动时受到的阻力很小，实验的精确度能大大提高。
计时系统的工作要借助于光源和光敏管(统称光电门)。根据遮光条的宽度和遮光时间，可以算出滑块经过时的速度。实验装置如图所示。实验操作中，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，重力势能减小，动能增大。测量滑块和挡光片的质量，用光电门测量滑块的瞬时速度。测量滑块下降的高度Δh和初、末速度v1、v2，就可以验证机械能是否守恒。
1.某同学利用图甲装置验证机械能守恒定律时，打出如图乙所示的纸带，已知打点计时器频率为50Hz。
（1）下列关于该实验说法正确的是______。A．纸带必须尽量保持竖直方向以减小摩擦阻力作用B．为了验证机械能守恒，必须选择纸带上打出的第一个点作为起点C．将电火花计时器改成电磁打点计时器可以减小纸带和打点计时器间的摩擦D．可以选择较轻的物体作为重物以延长下落的时间，实验效果更好
（2）根据图乙中纸带的数据，打下C点时重物的速度为______m/s（结果保留两位小数），如果本实验室电源频率不足50Hz，则瞬时速度的测量值______（填“增大”或“减小”）。
（3）小明同学用两个形状完全相同，但质量不同的重物P和Q分别进行实验，测得几组数据，并作出图像，如图丙所示，由图像可判断P的质量______（填“大于”或“小于）Q的质量。
（1）[1] A．纸带必须尽量保持竖直方向，从而减小摩擦阻力作用，故A正确；B．为了验证机械能守恒，选取点的原则是纸带上点迹清晰，方便测量的点，不是必须选择纸带上打出的第一个点作为起点，故B错误；C．将电火花计时器改成电磁打点计时器，会增大纸带和打点计时器间的摩擦，故C错误；D．可以选择较轻的物体作为重物以延长下落的时间，但空气阻力相对较大，导致实验效果不好，故D错误。故选A。
（2）[2] C点的瞬时速度等于BD段的平均速度，则有
[3] 若本实验室电源频率不足50Hz，则实际的计数点间的时间间隔偏大，从而使瞬时速度的测量值增大。
（3）[4] 根据动能定理得
由图丙知，P的斜率较大，所以P的质量小于Q的质量。
2.在利用如图甲装置“验证机械能守恒定律”的实验中
（1）在实验中，质量 的物体自由下落，得到如图乙所示的纸带，打点频率为50Hz，相邻计数点间还有一个点未打出。那么从打点计时器打下O点（视为起点）到打下B点的过程中，物体重力势能的减少量_______J，此过程中物体动能的增加量_________J。（取 ，保留三位有效数字）
（2）另一位同学利用他自己实验时打出的纸带，测量出重锤的质量M，纸带上各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离h，算出了各计数点对应的速度v，然后以h为横轴、以 为纵轴作出的图线应是如图中的_________（选填项字母），若图线的斜率为K，当地重力加速度为g，重锤下落过程受到的平均阻力f等于_________（用题中物理量字母表示）。
（1）[1]由纸带可知，物块从打点计时器打下O点（视为起点）到打下B点的过程中，下落的高度为
[2]根据中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可得，打下B点时，物块的速度为
（2）[3]下落过程以物体为研究对象，由牛顿第二定律可得
则图像为过原点的直线，故ABD错误C正确。
某同学为“验证机械能守恒定律”，采用了如图甲所示的装置。m2从高处由静止开始下落，m2上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。如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），所用电源的频率为50Hz。（重力加速度g取9.8m/s2）
（1）关于该实验的有关操作，下列说法不正确的是______。A．需要用天平分别测出两物块的质量为m1和m2B．实验中必须保证的m1质量小于的质量m2C．固定打点计时器时，两个限位孔可以不在同一竖直面内D．实验过程中先接通电源，待打点计时器工作稳定后再释放纸带
（2）若m1=200g，m2=300g，系统在打点0~5的过程中，经过点5位置时的速度大小vB=______m/s，系统重力势能的减少量 = ______J，系统动能的增加量 =______J。（均保留三位有效数字）
（3）从0点到计数点5的过程中，在误差允许的范围内，系统重力势能的减少量略______（填“大于”或“小于”系统动能的增加量，从而验证机械能守恒定律。
【答案】     C     0.975     0.239     0.238     大于
（1）[1]A．由图可知，m2减小的重力势能转化为m1和m2的动能和m1的增加的重力势能，所以需要用天平分别测出两物块的质量为m1和m2，故A正确；
B．为了使得m1能向上运动，则实验中必须保证的m1质量小于m2的质量，故B正确；
C．为了减小误差，固定打点计时器时，两个限位孔必须在同一竖直面内，故C错误；
D．实验过程中先接通电源，待打点计时器工作稳定后再释放纸带，故D正确；选不正确项，故选C。
（2）[2]纸带上相邻计数点时间间隔
根据匀变速直线运动中间时刻瞬时速度等于该过程平均速度可得
[3]系统重力势能的减少量
[4]系统动能的增加量
（3）[5]由（2）可知从0点到计数点5的过程中，在误差允许的范围内，系统重力势能的减少量略大于系统动能的增加量，从而验证机械能守恒定律。