新教材同步系列2024春高中物理第四章机械能及其守恒定律第六节验证机械能守恒定律课件粤教版必修第二册

第四章机械能及其守恒定律第六节验证机械能守恒定律学习目标学法指导1．能提出可验证的物理问题2．能在他人帮助下制订科学验证方案，会使用实验器材获取数据3．能根据数据形成结论，会分析产生实验误差的原因1．通过认真阅读教材，明确实验目的，理解实验原理和实验设计思路2．通过“研究自由下落物体的机械能”和“研究沿斜面下滑物体的机械能”实验，掌握实验方法，明确实验中需要注意的问题3．通过误差分析，掌握减少实验误差的方法，并能创新设计新的实验知识导图课前·自主预习一、实验目的利用重物的自由下落验证机械能守恒定律．二、实验思路机械能守恒的前提是“只有重力或弹力做功”，因此可用小球自由落体的过程、物体沿光滑斜面下滑的过程和用细线悬挂小球摆动的过程来验证机械能守恒定律．三、物理量的测量利用打点计时器、电源、纸带、复写纸、重物、刻度尺、带有铁夹的铁架台、导线．测量物体下降的高度及运动的速度．四、实验步骤1．安装：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接．2．接电源，打点：把纸带的一端在重物上用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物停靠在打点计时器附近．接通电源，待打点稳定后松开纸带，让重物自由下落，重复几次，打下3～5条纸带．六、注意事项1．安装打点计时器时，必须使两个限位孔在同一竖直线上，以减少摩擦阻力．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．3．实验时必须保持提起的纸带竖直，手不动．接通电源后，让打点计时器工作稳定后再松开纸带，以保证第一点是一个清晰的点．七、误差分析1．本实验的误差主要来自于空气阻力及纸带和计时器限位孔之间的摩擦，故重力势能的减少量应等于动能增加量和克服阻力做功之和，所以动能的增加量应略小于重力势能的减少量．2．偶然误差测量长度时会带来误差，减少误差的办法：(1)测距离时都应从打第一个点(O点)量起．(2)多测几次取平均值．3．系统误差实验中重物和纸带下落过程中要克服阻力(主要是打点计时器的阻力)做功，故动能的增加量ΔEk必定稍小于重力势能的减少量ΔEp，减少误差的办法：(1)增大重物的质量．(2)减小器材摩擦，打点计时器换成电火花计时器．课堂·重难探究实验原理和过程例1

用如图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，输出电压有6V的交流电和直流电两种，重物从高处由静止开始下落，重物拖着纸带通过打点计时器打出一系列的点．对纸带上的点进行测量，即可验证机械能守恒定律．(1)下面列举了该实验的几个操作步骤：A．按照图示的装置安装器材；B．将打点计时器接到电源的直流输出端上；C．用天平测出重物的质量；D．释放纸带，同时接通电源开关打出一条纸带；E．测量打出的纸带上某些点之间的距离；F．根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能．其中没有必要进行或者操作不恰当的步骤是______．(填选项字母)【答案】(1)BCD

(2)过原点的倾斜直线重力加速度g变式1

(2023年柳州学业考试)在“验证机械能守恒定律”的实验中：(1)某同学选用图甲所示的打点计时器，则应按图__________(填“乙”“丙”或“丁”)中的方法连接电源．(2)释放纸带前，正确的操作方式是______________________________________________________________．(3)本实验中，下列说法正确的是___________．A．可选用木质重物作为研究对象B．安装打点计时器时，应使两个限位孔处于同一条竖直线上C．重物的质量可以不测量D．可以根据v＝gt来计算重物在t时刻的瞬时速度【答案】(1)丙(2)C

(3)BC【解析】(1)图甲所示的打点计时器为电磁打点计时器，工作电压为交变电压4～6V，所以选择图丙所示的方法连接电源．(2)释放纸带前，用手提着纸带，使重物静止在打点计时器下方，让重物紧靠着打点计时器下方，且纸带要足够长，A、B、D错误，C正确．(3)木质重物的密度较小，所受到的空气阻力较大，会对实验结果造成很大的误差，故不选用木制重物作为研究对象，A错误；安装打点计时器时，应使两个限位孔处于同一条直线上，B正确；重物的质量可以不测，C正确；计算重物在t时刻的瞬时速度是根据中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度来计算的，D错误．实验数据处理和误差分析例2某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有20Hz、30Hz和40Hz．打出纸带的一部分如图乙所示．该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数据和其他题给条件进行推算．(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落．利用f和图乙中给出的物理量可以写出：在打点计时器打出B点时，重物下落的速度大小为____________．打出C点时重物下落的速度大小为____________，重物下落的加速度大小为____________．(2)已测得s1＝8.89cm，s2＝9.50cm，s3＝10.10cm；当地重力加速度大小为9.80m/s2，实验中重物受到的平均阻力大小约为其重力的1%．由此推算出交流电的频率f为________Hz．变式2

(2022年广州天河区期末)利用重物自由下落验证机械能守恒定律的实验中，某同学用如图甲所示的实验装置，让重物从高处由静止开始下落，拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，从而验证机械能守恒定律．(1)下列有关实验过程的要求，说法正确的是________．A．将打点计时器固定在铁架台上，保证打点计时器的两个限位孔在同一条竖直线上B．把纸带的一端固定到重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带上端并将下端的重物靠近打点计时器，先接通直流电源再释放纸带C．打出多条纸带，选择点迹清晰且第1、2点间的距离接近4mm的纸带进行处理D．该验证实验不需要用天平称出重物的质量(2)该同学按图甲所示，正确安装实验装置进行实验操作，从打出的纸带中选出符合要求的纸带进行测量，数据如图乙所示．图中O点为打点起始点，且速度为0．若已知重物质量m＝1kg，图中相邻计数点的时间间隔为0.04s，从打点计时器打下起点O到打下C点的过程中，重物重力势能的减少量ΔEp＝______J，此过程中重物动能的增加量ΔEk＝______J，由此可得到：在误差允许的范围内，重物自由下落过程中的机械能守恒(g取10m/s2，计算结果均保留4位有效数字)．经过多次实验，发现重力势能的减小量总是稍大于动能的增加量，其原因是______________________________．【答案】(1)AD

(2)3.250

3.125重物下落过程中存在阻力作用(2)重力势能减小量为ΔEp＝mgh＝1×10×0.3250J＝3.250J．例3

(2023年中山期中)如图所示，某实验小组在实验室中利用水平气垫导轨和两个光电门计时器A和B，验证质量为M的滑块(含遮光条)和质量为m的钩码组成的系统机械能守恒．已知遮光条的宽度为d，先后通过A、B光电门的时间分别为Δt1、Δt2，光电门A、B之间的距离为s．滑块运动通过光电门B时，钩码未落地．(重力加速度为g)实验创新——应用气垫导轨和光电计时器(1)实验中需要用到的器材有________(填选项前的字母)．A．天平

B．刻度尺C．打点计时器

D．秒表E．弹簧测力计(2)滑块通过A光电门时的瞬时速度的表达式为v1＝________(用题中给定字母表示)(3)验证本系统机械能守恒的表达式为________(用已知量和能直接测量的量表示)．变式3

(2023年惠州质检)某同学设计出如图所示的实验装置来“验证机械能守恒定律”，让小钢球从A点自由下落，下落过程中经过正下方的光电门B时，光电计时器记录下小钢球通过光电门的时间为t，已知当地重力加速度为g．(1)先用长度测量工具测出钢球的直径为d．(2)为了验证机械能守恒定律，该实验还需要测量下列哪个物理量________(填“A”或“B”)．A．小球的质量mB．A、B之间的距离H(3)小球通过光电门时的瞬时速度大小v＝________(用题中所给物理量的符号表示)．(4)上述实验满足关系式________时(用题目和上面问题中的物理量符号表示)，则可验证小球在运动过程中机械能守恒．(5)该同学在实验中发现，小球减少的重力势能总是略大于增加的动能，可能的原因是________________________________．1．分析实验目的：验证滑块和钩码组成的系统机械能守恒．2．确定实验原理：滑块与气垫导轨的摩擦不计，滑块和钩码组成的系统，只有钩码重力做功，系统机械能守恒．小练·随堂巩固1．(多选)(2023年广州七中期中)利用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律”的实验．本实验操作正确的是

(

)A．选择大小合适的铁质重锤B．选择体积较大的木质重锤C．打点时，应让重锤靠近打点计时器，先释放纸带，再打开电源D．选纸带时，应选点迹清晰且第一、二两点间的距离接近2mm的纸带【答案】AD

【解析】为使重锤近似做自由落体运动，应选择体积较小、质量较大的铁质重锤，A正确，B错误；打点时，为有充分的打点距离，应让重锤靠近打点计时器．释放重锤时，应先打开电源，后释放重锤，C错误；纸带点迹应清晰，第一、二两点间距离接近2mm时，说明打下的第一个点的速度为零，D正确．3．利用如图所示实验装置来验证机械能守恒定律．通过电磁铁控制的小铁球从A点自由下落，下落过程中小铁球经过光电门B时，毫秒计时器(图中未画出)记录下小铁球的挡光时间t．实验前调整光电门位置，使小铁球下落过程中，小铁球球心垂直细激光束通过光电门，当地重力加速度为g．(1)为了验证小铁球下落过程中机械能是否守恒，还需要测量的物理量是________．A．A点距地面的高度HB．A、B之间的距离hC．小铁球从A到B的下落时间tABD．