高中物理必修二《5 实验：验证机械能守恒定律》名校名师课件

1、5实验:验证机械能守恒定律必备知识自我检测一、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。必备知识自我检测三、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

2、个位置)上动能与势能的和是否2.计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足 必备知识自我检测四、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(46 V)。必备知识自我检测2.【实验原理】实验中比较物体在某两点间的动能变化与重力势能变化是否相等,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:

3、纸带上第n个点的瞬时速度等于这必备知识自我检测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h,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”必备知识自我检测1.正误辨析(1)在案例一中,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。 ()解析:应选择密度较大且质量较大的重物。答案:答案: 必备知识自我检测(3)在案例一中,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。

4、 ()答案:(4)在案例一、二实验中均需要用到天平。 ()答案:(5)在案例二中,只有导轨喷气,才能将滑块放在导轨上面。 ()答案:答案: 必备知识自我检测2.在案例一实验中,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探究一探究二随堂检测 实验步骤和数据处理情景导引实验中,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图象,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。探究一探究二随堂检测知识归纳参考案

5、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。探究一探究二随堂检测(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35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

6、探究一探究二随堂检测2.【数据处理】 (1)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(2)方法二:任取两点A、B 从A点到B点,重力势能减少量为mghA-mghB,动能增加量为 探究一探究二随堂检测(3)方法三:图象法 探究一探究二随堂检测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h(两个数字毫秒计间的高度差),记录遮光条的宽探究一探究二随堂检测实例

7、引导例1(1)用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律,在下面所列举的该实验的几个操作步骤中,你认为没有必要进行的或者错误的步骤是(填字母代号)。 探究一探究二随堂检测A.按照图示的装置安装器件B.将打点计时器接到学生电源的直流输出端上C.用天平测量出重物的质量D.先放手让纸带和重物下落,再接通电源开关E.在打出的纸带上,依据打点的先后顺序选取A、B、C、D四个合适的相邻点,通过测量计算得出B、C两点的速度为vB、vC,并测出B、C两点间的距离为h探究一探究二随堂检测(2)实验中,打点周期为0.02 s,自由下落的重物质量为1 kg,打出一条理想的纸带,数据如图所示(单位是cm,g取9.8 m/

8、s2)O、A之间有多个点没画出,打点计时器打下点B时,物体的速度vB= m/s,从起点O到打下B点的过程中,重力势能的减少量Ep= J,此过程中物体动能的增量Ek= J。(答案保留两位有效数字)探究一探究二随堂检测解析:(1)步骤B错,应该接到电源的交流输出端;步骤C不必要,因为根据测量原理,重物的动能和势能表达式中都包含了质量m,可以约去,所以不必测量重物的质量;步骤D错,应先接通电源,待打点计时器工作稳定后再释放纸带。答案:(1)BCD(2)0.980.490.48 探究一探究二随堂检测例2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:将气垫导轨放在水平桌面上,桌

9、面高度不低于1 m,将导轨调至水平。用游标卡尺测出挡光条的宽度l=9.30 mm。由导轨标尺读出两光电门中心间的距离s=cm。探究一探究二随堂检测将滑块移至光电门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。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t1和t2。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。滑块通过光电门1和光电门2时,瞬时速度分别为v1=和v2=。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

10、=。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Ep=(重力加速度为g)。(3)如果Ep=,则可认为验证了机械能守恒定律。探究一探究二随堂检测解析:(1)距离s=80.30 cm-20.30 cm=60.00 cm。 (2)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t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当滑块通过光电门1和光电门2时,系统的总动能分别为 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Ep=m2gs。(3)如果在误差允许的范围内Ep=Ek2-Ek1,则可认为验证了

11、机械能守恒定律。探究一探究二随堂检测答案:(1)60.00(59.9660.04均正确) (3)Ek2-Ek1规律方法 本实验采用气垫导轨验证多物体系统的机械能守恒,计算滑块速度的方法、验证方法不变。探究一探究二随堂检测实验误差分析与注意事项情景导引实验时,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?探究一探究二随堂检测知识归纳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

12、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。探究一探究二随堂检测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。探究一探究二随堂检测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

13、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)气垫导轨的轨面不许敲、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。探究一探究二随堂检测实例引导例3在利用落体法验证机械能守恒定律的实验中,有位同学按以下步骤进行实验操作:A.用天平称出重锤和夹子的质量B.固定好打点计时器,将连着重锤的纸带穿过限位孔,用手提

14、住,且让手尽量靠近打点计时器C.松开纸带,接通电源,开始打点,并如此重复多次,以得到几条打点的纸带D.取下纸带,挑选点迹清晰的纸带,记下起始点O,在距离O点较近处选择几个连续计数点(或计时点),并计算出各点的速度值E.测出各计数点到O点的距离,即得到重锤下落的高度探究一探究二随堂检测在以上步骤中,不必要的步骤是。有错误或不妥的步骤是。(填写代表字母)更正情况:;。探究一探究二随堂检测 解析:A步骤可有可无,不称量重物的质量也可验证机械能守恒定律;B步骤中应让重物尽量靠近打点计时器,而不是手靠近;C步骤中应先接通电源,后释放纸带;D步骤中应选取离O点较远的点,这样测量时距离较远,测量的相对误差较

15、小;F步骤中应计算ghn和答案:ABCDFB中手应抓住纸带末端,让重物尽量靠近打点计时器C中应先接通电源,再松开纸带D中应选取离O点较远的点探究一探究二随堂检测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”的方法探究一探究二随堂检测答案:D 探究一探究二随堂检测2.用下图所示装置验证机械能守恒定

16、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。答案:A探究一探究二随堂检测3.在利用落体法验证机械能守恒定律的实验中,某同学依据纸带求得相关各点的瞬时速度,以及与各瞬时速度相对应的从第一个点开始下落的距离h,以v2为纵轴,以h为横轴,建立坐标系,描点后画出变化图线,从而验证机械能守

17、恒定律,若所有操作均正确,则得到的v2-h图象应是下图中的()答案:C 探究一探究二随堂检测4.在验证机械能守恒定律的实验中,已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz,查得当地的重力加速度g取9.8 m/s2,某同学选择了一条理想的纸带,用刻度尺从O点开始测量时各计数点对应刻度尺上的读数如图所示,图中O点是打点计时器打出的第一个点,A、B、C、D分别是每打两个点取的计数点。则重物由O点运动到B点时(重物质量为m)探究一探究二随堂检测(1)重力势能的减少量是 J,动能的增加量是 J。(2)重力势能的减少量(选填“略大于”或“略小于”)动能的增加量,原因是。(3)根据计算的数据得出的结论:。探究一

18、探究二随堂检测解析:(1)重力势能的减少量为Ep=mghOB=m9.80.195 J=1.911m J。重物下落到B点时的速度为所以重物从开始下落到B点增加的动能为 (2)略大于;由于空气阻力和限位孔的摩擦阻力做功,将部分机械能转化为了内能。(3)从以上计算的数据得出:在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能,即机械能守恒。答案:(1)1.911m1.89m(2)略大于见解析(3)在实验误差允许的范围内重物减少的重力势能等于其增加的动能,即机械能守恒探究一探究二随堂检测5.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

19、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5.0010-2 s、2.0010-2 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。探究一探究二随堂检测答案:(1)1.002.50(2)5.255.29 探究一探究二随堂检测6.如图所示,两个质量各为m1和m