人教版高中物理必修二 （实验：验证机械能守恒定律）机械能守恒定律教师教学课件

5实验：验证机械能守恒定律第八章机械能守恒定律

1.明确验证机械能守恒定律的基本思路并能进行相关量的测量.2.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.学习目标明确原理提炼方法精析典题提升能力随堂演练逐点落实内容索引NEIRONGSUOYIN明确原理提炼方法01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.本节实验我们以只有重力做功的过程进行研究.实验思路一重力或弹力物理量的测量及数据分析二只有重力做功时，只发生重力势能和动能的转化.(2)所需测量的物理量：物体所处两位置之间的

，及物体的

.mgh1－mgh2高度差运动速度参考案例三案例1研究自由下落物体的机械能1.实验器材铁架台(带铁夹)、

、重物(带夹子)、

、复写纸(或墨粉盘)、导线、毫米刻度尺、交流电源.2.实验步骤(1)安装装置：按图1甲所示把打点计时器安装在铁架台上，用导线把打点计时器与电源连接好.图1打点计时器纸带(2)打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，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附近.先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下落.重复几次，得到3～5条打好点的纸带.(3)选纸带并测量：选择一条点迹清晰的纸带，确定要研究的开始和结束的位置，测量两位置之间的距离Δh及两位置时的速度，代入表达式进行验证.3.数据处理(2)机械能守恒定律的验证方法一：利用起始点和第n点.方法二：任取两点A、B.方法三：图像法(如图2所示).若在实验误差允许范围内图线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.图24.误差分析本实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的

引起的系统误差.5.实验注意事项(1)打点计时器安装时，要使两限位孔的中线在同一

线上，以减小摩擦阻力.(2)应选用质量和密度较

的重物.

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)本实验中的几种验证方法均

(填“需要”或“不需要”)测重物的质量m.摩擦阻力竖直大增大不需要案例2研究沿斜面下滑物体的机械能1.实验器材气垫导轨、数字计时器、带有遮光条的滑块.2.实验装置如图3所示，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，忽略空气阻力，重力势能减小，动能增大.图33.实验测量及数据处理(1)测量两光电门之间的高度差Δh；(2)滑块经过两光电门时遮光条遮光时间Δt1和Δt2，计算滑块经过两光电门时的瞬时速度.4.误差分析两光电门之间的距离稍大一些，可以减小误差；遮光条的宽度越

，误差越小.小精析典题提升能力02研究自由下落物体的机械能一例1

(2018·双峰一中高一下学期期末)某同学用如图4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50Hz，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＝19.00cm，点A、C间的距离为s1＝8.36cm，点C、E间的距离为s2＝9.88cm，g取9.8m/s2，测得重物的质量为m＝1kg.图4(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)2.682.28解析重物减少的重力势能为：ΔEp＝mgh＝mg(s0＋s1)＝1kg×9.8m/s2×(19.00＋8.36)×10－2m≈2.68J(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________.√研究沿斜面下滑物体的机械能二例2现利用如图5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5.00×10－2s、2.00×10－2s.已知滑块质量为2.00kg，滑块沿斜面方向的长度为5.00cm，光电门1和2之间的距离为0.54m，g取9.80m/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)图5(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.1.002.50(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.5.255.29解析动能增加量重力势能的减少量：ΔEp＝mgssin30°≈5.29J.(3)实验可以得出的结论：_________________________________________.在实验误差允许的范围内，滑块的机械能守恒解析在实验误差允许的范围内，滑块的机械能守恒.创新实验设计三例3利用气垫导轨“验证机械能守恒定律”，实验装置示意图如图6所示.图6(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1m，将导轨调至水平.②用游标卡尺测出挡光条的宽度l＝9.30mm.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M，再称出托盘和砝码的总质量m.60.00(答案在59.96～60.04之间的，也正确)解析距离s＝80.30cm－20.30cm＝60.00cm.(2)用表示直接测量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＝_____________和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).mgs解析在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统重力势能的减少量ΔEp＝mgs.(3)如果ΔEp＝___________________________，则可认为验证了机械能守恒定律.例4

(2018·永春一中高一下学期期末)某同学利用图7所示装置“验证小球摆动过程中机械能守恒”，实验中小球摆到最低点时恰好与桌面接触但没有弹力，D处(箭头所指处)放一锋利的刀片，细线到达竖直位置时能被割断，小球做平抛运动落到地面，P是一刻度尺.该同学方案的优点是只需利用刻度尺测量A位置到桌面的高度H、桌面到地面的高度h及小球平抛运动的水平位移x即可.图7(1)测量A位置到桌面的高度H应从____________(填“球的上边沿”“球心”或“球的下边沿”)开始测.球的下边沿解析测量A位置到桌面的高度H，即球下降的高度，因为到达桌面时是球的下边沿与桌面接触，所以测量的高度H应从球的下边沿开始测.(2)实验中多次改变H值并测量与之对应的x值，利用作图像的方法去验证.为了直观地表述H和x的关系(图线为直线)，若用横轴表示H，则纵轴应表示____.(填“x”“x2”或“”)x2(3)若小球下摆过程中机械能守恒，则h、H和x的关系为H＝____.随堂演练逐点落实031.如图8为“验证机械能守恒定律”的实验装置示意图.现有的器材为：带夹子的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带夹子的重锤.回答下列问题：123(1)为完成此实验，除了所给的器材，还需要的器材有_____.(填入正确选项前的字母)A.米尺B.秒表C.低压直流电源D.低压交流电源图8√√解析在处理数据时需要测量长度，故需要米尺；电磁打点计时器工作时需要使用低压交流电源；所以选项A、D正确.123(2)实验中产生误差的原因有：_______________________________________________________________________________________________________________________________________(写出两个原因即可).解析产生误差的原因有：①纸带和打点计时器之间有摩擦.②用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差.③计算势能变化时，选取的始、末位置过近.④存在空气阻力.①纸带和打点计时器之间有摩擦.②用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差.③计算势能变化时，选取的始、末位置过近.④存在空气阻力(任选其二)123(3)实验中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阻力，这样将造成________.√2.(2018·贵阳市高一下学期期末)某同学用图9(a)所示的实验装置“验证机械能守恒定律”，图(b)是用6V、50Hz的打点计时器打出的一条纸带，O点为重锤下落的起点，选取的计数点A、B、C、D到O点的距离在图中已标出，重力加速度g取9.8m/s2，重锤的质量为1kg.(计算结果均保留两位有效数字)123图9(1)打点计时器打下B点时，重锤下落的速度vB＝____m/s，重锤的动能EkB＝___________________J.1231.20.72(0.68～0.76均可)123解析每两个计数点之间有一个计时点，则相邻两个计数点之间的时间间隔为t＝0.04s，(2)从起点O到打下B点过程中，重锤的重力势能的减小量为_____J.1230.73解析重锤的重力势能减小量：ΔEp＝mgh＝1×9.8×0.0740J≈0.73J(3)根据(1)、(2)计算，在误差允许范围内，从起点O到打下B点过程中，你得到的结论是__________________________.123重锤下落过程中机械能守恒解析在误差允许范围内，由于重锤重力势能减小量等于重锤动能的增加量，重锤下落的过程中机械能守恒；(4)图10是根据某次实验数据绘出的

－h图像，图线不过坐标原点的原因是_____________________________.开始打图10点时重锤有一定的速度1233.(2018·简阳市高一下学期期末)利用如图11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)123图11(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)；钩码A的质量mA、滑块B的质量mB123可知还需要测量的物理量有：钩码A的质量mA、滑块B的质量mB.(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).1235.实验:验证机械能守恒定律

【实验目的】学会用打点计时器验证机械能守恒定律的实验方法和技能。【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(纸带夹)。【实验原理与设计】1.实验的基本思想——验证性实验:验证在自由落体运动中,物体下落过程减少的重力势能和增加的动能相等。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)计算打第n个点速度的方法:测出第n个点与相邻前后点间的距离xn和xn+1,由公式vn=或vn=算出,如图所示:2.实验设计——两个物理量的测量方法:(1)高度h的测量用刻度尺测量物体下落过程的高度h。(2)速度v的测量利用匀变速直线运动中某段时间的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度,来求某点的瞬时速度。【实验过程】一、实验步骤1.安装置:按图所示将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上,接好电路。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:(1)用=mghn验证时,应选点迹清晰,且1、2两点间距离小于或接近2mm的纸带。若1、2两点间的距离大于2mm,这是由于先释放纸带、后接通电源造成的。这样纸带上的第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2mm就无关紧要了,所以只要后面的点迹清晰就可选用。【思考·讨论】(1)实验过程中应注意哪几个方面的操作安全问题?(科学态度与责任)提示:安装打点计时器时要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直线上,以减小摩擦阻力。

(2)使用打点计时器应注意什么?提示: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。二、数据收集与分析1.求瞬时速度:由公式vn=可以计算出重物下落h1、h2、h3…的高度时对应的瞬时速度v1、v2、v3…2.验证守恒: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有:ghn=,则说明机械能守恒定律是正确的。方法二:任取两点A、B,测出hAB,算出ghAB和的值,如果在实验误差允许的范围内有:ghAB=则说明机械能守恒定律是正确的。方法三:图像法,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。若在误差允许的范围内图像是一条过原点且斜率为g的直线,则验证了机械能守恒。【思考·讨论】(1)实验完毕如何选取纸带? (科学思维)提示:应选用长度60cm左右、点迹清晰的纸带进行测量。(2)测量速度时能否用公式vt=gt计算?为什么?提示:不能。因为这成了用机械能守恒定律验证机械能守恒。

【误差分析】1.系统误差:本实验中因重锤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.偶然误差: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0点测量,一次将各打点对应的下落高度测量完,多次测量取平均值。【思考·讨论】请从重物的选取上说明如何减小实验的系统误差?提示:重物应选用质量和密度较大、体积较小的物体以减小空气阻力的影响。类型一实验操作【典例1】某同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源,可以提供输出电压为6V的交流电和直流电,交流电的频率为50Hz。重锤从高处由静止开始下落,重锤拖着的纸带上打出一系列的点,对纸带上的点测量并分析,即可验证机械能守恒定律。 (1)他进行了下面几个操作步骤:A.按照图示的装置安装器件;B.将打点计时器接到电源的“直流输出”上;C.用天平测出重锤的质量;D.先接通电源,后释放纸带,打出一条纸带;E.测量纸带上某些点间的距离;F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。其中没有必要进行的步骤是__________________,操作不当的步骤是_______________。

(2)这位同学进行正确操作后挑选出一条点迹清晰的纸带进行测量分析,如图乙所示。其中O点为起始点,A、B、C、D、E、F为六个计数点。根据纸带上的测量数据,当打B点时重锤的速度为____________m/s。(保留3位有效数字)

(3)他继续根据纸带算出各点的速度v,量出下落距离h,并以为纵轴、以h为横轴画出图像,应是图丙中的____________。

【解析】(1)应将打点计时器接到电源的“交流输出”上,故B操作不当;因为我们是比较mgh、mv2的大小关系,故m可约去比较,不需要用天平,故C没有必要。(2)匀变速直线运动中某段时间中间时刻的瞬时速度等于该过程中的平均速度,由此可以求出B点的速度大小为:vB==1.84m/s(3)他继续根据纸带算出各点的速度v,量出下落距离h,并以为纵轴、以h为横轴画出的图像,根据v2=gh,

与h的图像是一条倾斜的直线,所以应是图丙中的C。答案:(1)C

B

(2)1.84

(3)C类型二数据处理【典例2】用如图1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,m1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,即可验证机械能守恒定律。图2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2所示。已知m1=50g、m2=150g,m2下落距离为h,则(结果保留两位有效数字): (1)在纸带上打下记数点5时的速度v=______m/s。

(2)在0～5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10m/s2)。由此得出的结论是:_____________。

(3)若某同学作出-h图像如图3,则当地的重力加速度g=____________m/s2。

【解题探究】(1)如何求计数点5的瞬时速度大小?提示:根据在匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度大小等于该过程中的平均速度,可以求出打下记数点5时的速度大小。(2)本题中-h图像的斜率大小表示什么?提示:本题中图像的斜率大小等于物体的重力加速度的一半。

【解析】(1)根据在匀变速直线运动中时间中点的瞬时速度大小等于该过程中的平均速度大小,可知打第5个点时的速度为:v5==2.4m/s(2)物体的初速度为零,所以动能的增加量为:ΔEk=(m1+m2)-0=×(0.05+0.15)×2.42J=0.58J;重力势能的减小量等于物体重力做功,故ΔEP=W=(m2-m1)gh=(0.15-0.05)×10×(0.384+0.216)J=0.60J。由此可知动能的增加量和势能的减小量基本相等,因此在误差允许的范围内,m1、m2组成的系统机械能守恒。(3)本题中根据机械能守恒可知,m2gh-m1gh=(m1+m2)v2,即有:所以v2-h图像的斜率表示重力加速度的一半,由图可知,斜率k=4.85,故当地的实际重力加速度为:g=2k=9.7m/s2答案:(1)2.4

(2)0.58

0.60在误差允许的范围内,m1、m2组成的系统机械能守恒(3)9.7类型三实验创新【典例3】如图甲所示是光电门传感器的示意图。它的一边是发射器,另一边是接收器,当光路被物体挡住的时候,它就开始计时,当光路再次恢复的时候,它就停止计时。这样就可以测出挡光片挡光的时间。