《实验 验证机械能守恒定律》教学课件

8.5实验验证机械能守恒定律CONTENTS01知识回顾02新课教学03典例分析目录机械能守恒定律在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。思考：机械能守恒的条件是什么？它有哪些表达形式？1.条件：仅有重力或弹力做功。2.表达式：（1）守恒的角度：E1=E2（2）转化的角度：

△Ek增=△EP减（3）转移的角度：

△EA增=△EB减思考：我们熟知的运动中，哪些运动满足仅有重力做功？小球的摆动xy平抛运动钩码拉动滑块的运动自由落体运动二、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．一、实验目的验证机械能守恒定律．新课教学2．速度的测量：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度等于相邻两点间的平均速度vt＝计算打第n个点瞬时速度的方法是：测出第n个点的相邻前后两段相等时间T内下落的距离xn和xn＋1，由公式vn＝或vn＝算出，如图实－2－1所示．图实－2－1三、实验器材实验器材：打点计时器、纸带、复写纸、重物、刻度尺、铁架台（带铁夹）、学生电源等。打点计时器纸带重物？铁架台问题1本实验要不要测量物体的质量？mgh

=mv

212gh

=v

212无需测量物体的质量如果实验要求计算势能和动能的具体数据，那就必须要知道物体的质量。问题2纸带上的第一个点为计时起点0（起始点的速度应该为零，即打点计时器在纸带上打下第一个点时纸带刚开始下落）。gh

=v

21212x

=

gt2

=

×9.8×0.022m

≈2×10-3m=

2

mm12h起始点对于实际获得的纸带，如何判定纸带上的第一个点就是纸带刚开始下落时打下的呢？纸带上的头两个点间的距离应接近2mm。思考可以回避起始点吗（即处理纸带时可以不用到起始点吗）?我们可以选取A、B两点，比较它们的机械能EA和EB。若以点B为0势能点，则有：mgΔh=ΔhAB问题3如何测量物体的瞬时速度?

做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于相邻两点间的平均速度。四、实验步骤1．器材安装：如图实－2－2所示，将打点计时器固定在铁架台上，用导线将打点计时器与低压交流电源相连，此时电源开关应为断开状态．图实－2－22．打纸带：把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，用手竖直提起纸带，使重物停靠在打点计时器下方附近，应先接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重物自由下落，打点计时器就在纸带上打出一系列的点．取下纸带，换上新的纸带重打几条(3条～5条)．3．选纸带：分两种情况说明(1)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，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．4．求瞬时速度在第一个打点上标出O，并从稍靠后的某一点开始，以后每隔四个点依次标出1、2、3、4…并量出各点到位置O的距离h1、h2、h3、h4….用公式vn＝计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3、v4….各计数点123456下落高度hn/m速度vn/m·s-1重力势能Ep/J动能Ek/J两者比较5．守恒验证

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，ghn＝则说明机械能守恒定律是正确的．方法二：任取两点计算(1)任取两点A、B测出hAB，算出ghAB.(2)算出的值．(3)如果在实验误差允许的范围内，ghAB＝则说明机械能守恒定律是正确的．

方法三：图象法．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．0hv

212图象法处理数据gh

=v

212该图象的斜率表示什么？为什么图象通过原点？若在误差允许的范围内图象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．五、误差分析1．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，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．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O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．3．打点计时器产生的误差(1)由于交流电周期的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差；(2)计数点选择不好，振动片振动不均匀，纸带放置方法不正确引起摩擦，造成实验误差．六、注意事项1．应尽可能控制实验条件，即应满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：(1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，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，可使空气阻力减小．2．实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直．接通电源后，等打点计时器工作稳定后再松开纸带．3．验证机械能守恒时，可以不测出物体质量，只要比较

和ghn是否相等即可验证机械能是否守恒．但需选取密度较大的物体做重锤，以相对减小空气阻力的影响。4．测量下落高度时，为了减小测量值h的相对误差，选取的各个计数点要离起始点远一些，纸带也不易过长，有效长度可在60cm～80cm之间．5．速度不能用vn＝gtn或vn＝计算，因为只要认为加速度为g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用vn＝gtn计算出的速度比实际值大，会得出机械能增加的错误结论，而因为摩擦阻力的影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算．同样的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接测量，而不能用hn＝或hn＝计算得到．误差来源减小误差的措施实验注意事项阻力的影响设法减小阻力打点计时器应安装稳固，限位孔在一竖直线上，减小纸带与限位孔间的摩擦阻力减小重物体积可减小空气阻力增大重物重力选用密度大的重物，一般用铁块实验操作不当调节打点计时器注意将电磁打点计时器接在低压交流电源上，调节好振针的长度，使点迹清晰注意释放纸带与接通电源的顺序接通电源，待打点计时器工作稳定后再释放纸带让重物下落选择纸带选择点迹清晰的纸带，最好是第1点和第2点间距接近2mm的纸带测量误差h误差防止分段测量增大误差各点对应的下落高度均从起点测量，不可用累加法，否则将增大误差七、实验改进物体下落过程中通过某一位置时的速度可以用光电计时器测出来，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．其他验证方法一：利用气垫导轨验证机械能守恒其他验证方法二：利用频闪照片验证机械能守恒比例1:1频闪时间间隔T1.为进行“验证机械能守恒定律”实验，有下列器材可选用：铁架台、打点计时器、复写纸、纸带、秒表、低压直流电源、导线、电键、天平，其中不必要的器材是___________________________;缺少的器材是

。秒表、天平、低压直流电源低压交流电源、刻度尺、重物、夹子2.(多选)“验证牛顿第二定律”与“验证机械能守恒定律”这两个实验，它们的共同之处是（）A．都要用打点计时器 B．都要用天平测质量C．都要用刻度尺测位移 D．都要计算瞬时速度AC3.在验证机械能守恒定律时，如果以为纵轴以h为横轴，根据实验数据绘出的图线应是

，才能验证机械能守恒定律，其斜率等于

的数值。过原点的倾斜直线0hv

212g解题关键：根据实验原理推导与h表达式4.在“验证机械能守恒定律”的实验中，需直接测量的物理量是（）A．重物的质量B．重力加速度C．重物下落的高度D．与下落高度对应的重物的瞬时速度C5.在用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中，甲、乙两条实验纸带，应选_______________纸带为好（图）甲6.某学生在验证机械能守恒定律的实验中有如下操作步骤，试将合理的顺序步骤序号填在下面的线上：____________________．A．断开电源，取下纸带，选出前两个点间距离接近2mm的纸带；B．把纸带固定在重锤上；C．将纸带穿过打点计时器，并把纸带上提使重锤停在靠近打点计时器的地方；DBCEAGFD．把打点计时器固定在放于桌边的铁架台上，并与低压交流电源相连接；E．接通电源，同时释放纸带；F．求出重锤重力势能的减少量△EP和动能的增加量△EK，比较△EP和△EK得出实验结论；G．用刻度尺量出所选取的计数点到打下的第一个点之间的距离．①打点计时器打出B点时，重锤下落的速度vB=_______m/s，重锤的动能EkB=

J。②从开始下落算起，打点计时器打B点时，重锤的重力势能减小量为

J。③根据纸带提供的数据，在误差允许的范围内，重锤从静止开始到打出B点的过程中，得到的结论是

。

1.175

0.69

0.69

机械能守恒

7.某次“验证机械能守恒定律”的实验中，用6V、50Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带，如图所示，O点为重锤下落的起点，选取的计数点为A、B、C、D，各计数点到O点的长度已在图上标出，单位为毫米，重力加速度取9.8m/s2，若重锤质量为1kg。8.在验证机械能守恒定律的实验中，质量为m＝1.00kg的重锤拖着纸带下落，在此过程中，打点计时器在纸带上打出一系列的点，在纸带上选取五个连续的点A、B、C、D和E，如图所示．其中O为重锤开始下落时记录的点，各点到O点的距离分别是31.4mm、49.0mm、70.5