8.5 实验：验证机械能守恒定律（课件）-【教学无忧】2024-2025学年高一物理同步精品备课（人教版2019必修第二册）

人教版（2019）高一年级物理必修2同步备课系列 8.5实验：验证机械能守恒定律 1 目录 实验思路 1 物理量的测量 2 实验方案设计 3 2 实验思路 PART 1 3 01.实验思路 问题1：机械能守恒定律的条件是什么？ 只有重力或弹力做功 问题2：回顾以前学过的运动，哪种运动形式可以用来验证机械能守恒定律？ 自由落体运动只受重力，符合机械能守恒条件 物体沿光滑斜面下滑时支持力不做功，符合机械能守恒条件 用细线悬挂的小球摆动时，拉力不做功，忽略空气阻力，只有重力做功，符合验证条件 问题3：有哪些方法可以减少阻力的影响？ 4 物理量的测量 PART 2 5 01.物理量的测量 若想验证机械能守恒，需要测量那些物理量？ 只有重力做功时，只发生重力势能和动能的相互转化。 (1)要验证的表达式：m+mgh2=　　　　　　或m-m=______ 。 (2)所需测量的物理量：物体所处两位置之间的　　　、物体的　　　　。 m+mgh1 mgh1- mgh2 高度差 运动速度 注意：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；如果只是验证机械能守恒定律可以不测物体的质量。 6 01.物理量的测量 测量速度的方法有哪些？ 思路：极限法。 方法：（1）纸带法： （2）光电门法： （3）平抛法： 7 实验方案设计 PART 3 8 01.【方案一】研究自由下落物体的机械能 (1)如果你要通过研究自由下落物体的机械能变化来验证机械能守恒定律，根据所要测量的物理量，你认为需要哪些器材？ 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 夹子 纸带 重物 ？ (2)你是否可以设计出详细的实验方案，完成这个验证实验? 1.实验器材及设计 9 01.【方案一】研究自由下落物体的机械能 2.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：①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； ②先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落； ③关闭电源，取下纸带。更换纸带重复做3～5次实验。 (3)选纸带：选取点迹清晰且第1、2两点间距接近2 mm的纸带。 (4)测长度：用毫米刻度尺测出所选定的各计时点到基准点的距离。 10 01.【方案一】研究自由下落物体的机械能 3.数据分析 11 01.【方案一】研究自由下落物体的机械能 3.数据分析 12 01.【方案一】研究自由下落物体的机械能 3.数据分析 13 01.【方案一】研究自由下落物体的机械能 14 01.【方案一】研究自由下落物体的机械能 4.注意事项 问题1：重物下落过程中，除了重力外还受哪些阻力？怎样减少这些阻力对实验的影响？ 会受到空气阻力和限位孔对纸带的摩擦力的影响 ①重物应该选择小而重的（即密度比较大的） ②打点计时器安装时要竖直，同时必须使纸带两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。 15 01.【方案一】研究自由下落物体的机械能 以打在纸带上的第1个点作为开始（初速度为零） （1）若根据 来判定，则： 【互动探究】 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？ x = gt2 = ×9.8×0.022m ≈2×10-3m = 2 mm 纸带上的头两个点间的距离应接近2mm h 起始点 问题2：在纸带上选择哪两个位置作为过程的开始和终结采集数据？ 4.注意事项 16 02.【方案二】研究沿斜面下滑物体的机械能 气垫导轨及其附件、气源、电脑通用计数器、电子天平 实验器材 电子称测物体的质量 17 02.【方案二】研究沿斜面下滑物体的机械能 物体沿倾斜导轨下滑，下落过程中经过两光电门，两光电门的高度，用刻度尺测量，则减少的重力势能为mgh；用光电门处测量滑块的瞬时速度，质量用天平测出. 18 02.【方案二】研究沿斜面下滑物体的机械能 19 03.【方案三】利用平抛运动验证机械能守恒 如图，悬挂在O点的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。该方案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即可验证机械能守恒。 20 比例1:1 频闪时间间隔T 03.【方案三】利用平抛运动验证机械能守恒 21 04.其他方案设计 请尝试说出以下装置如何验证机械能守恒？ 22 巩固提升 PART 4 23 01. 课堂小结 实验：验证机械能守恒定律 实验思路 物理量的测量 质量 下落高度 速度 实验方案设计 研究自由下落物体的机械能 研究沿斜面下滑物体的机械能 研究平抛运动物体的机械能 其他方案 24 02. 课堂练习 1.(2023·开封市高一期末)如图甲所示，打点计时 器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始 下落，利用此装置验证机械能守恒定律。 (1)关于该实验，下列操作必要且又正确的有　　 。  A.重物应选择质量大和体积小的金属锤 B.两限位孔在同一竖直面内上下对正 C.用夹子夹好纸带稳定后，接通直流电源，然后松开手释放重物 D.除如图所示器材外，为了完成实验，还必须增加刻度尺 25 02. 课堂练习 (2)实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图乙所示的一条纸带，在纸带上选取三个连续打出的点A、B、C，测得它们到起始点O的距离分别为hA、hB、hC。已知当地重力加速度为g，打点计时器打点的周期为T，设重物的质量为m。从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能减小量ΔEp=　　　　，动能增加量ΔEk=　　　　　　。  (3)大多数学生的实验结果显示，重力势能的减少量略大于动能的增加量，其原因是　　　 　　　　 。  26 02. 课堂练习 (4)某同学想用下述方法研究重物下落过程机械能是否守恒：在纸带上选取多个计数点，测量它们到起始点O的距离h，计算对应计数点的重物速度v，描绘v2-h图像如图丙所示，并做如下判断：若图像是一条过原点的直线，斜率为k，则当满足　　　　时，重物下落过程中机械能守恒。  27 02. 课堂练习 【答案】（1）ABD （2）ΔEp=mghB ΔEk=m()2 【解析】（1）验证机械能守恒定律实验满足 的关系式为mgh=mv2，即gh=v2，因此需要测 量重物下落的高度，需要刻度尺，应选用质量 大和体积小的金属锤，从而减小空气阻力的影 响，两限位孔在同一竖直面内上下对正，可以 降低摩擦阻力对实验的影响，另外打点计时器 应选用交流电源，故选A、B、D。 28 02. 课堂练习 【解析】（2）从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能减少量ΔEp=mghB，由纸带可知vB=，动能变化量ΔEk=m()2。 （3）由于存在阻力，所以机械能减少，因此重力势能的减少量略大于动能的增加量。 （4）验证机械能守恒定律实验满足的关系式为mgh=mv2，解得v2=2ghv2-h图像是一条过原点的直线，斜率为k=2g时，重物下落过程中机械能守恒。 29 02. 课堂练习 2.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位置的两个光电门，与它们连接的数字计时器都没有画出。让滑块从斜面的顶端滑下，光电门1、2各自连接的数字计时器显示的挡光时间分别为5.00×10-2 s、2.00×10-2 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。(结果均保留三位有效数字) (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。  30 02. 课堂练习 (2)滑块通过光电门1、2过程的动能增加量为　　　 J，重力势能的减少量为　　　 J。  (3)实验可以得出的结论：________________________________________ ______。 【解析】（1）v1== m/s=1.00 m/s，v2== m/s=2.50 m/s （2）动能增加量ΔEk=m-m=5.25 J 重力势能的减少量ΔEp减=mgxsin 30°≈5.29 J。 （3）在实验误差允许的范围内，滑块的机械能守恒。 31 02. 课堂练习 3.如图所示装置可用来验证机械能守恒定律。长度为L的轻绳一端固定在O点，另一端系一摆锤A，在A上放一个小铁片。现将摆锤拉起，使轻绳偏离竖直方向θ角，由静止开始释放摆锤，当其到达最低位置时，受到竖直挡板P阻挡而停止运动，这时铁片将做平抛运动而飞离摆锤，用刻度尺量出铁片的水平位移为x，下落高度为H。 (1)要验证摆锤在运动中机械能守恒，必须求出摆锤初 始位置离最低位置的高度，其高度为　　　　　，同 时还应求出摆锤在最低位置时的速度，其速度应为 　　　　(重力加速度为g)。  32 02. 课堂练习 (2)用实验中测量的物理量写出验证摆锤在运动中机械能守恒的关系式为　　　　　　　 。  【解析】（1）摆锤下降的高度h=L(1-cos θ)。因摆锤与铁片一起运动到最低位置，所以摆锤在最低位置时的速度等于铁片的平抛初速度v，由H=gt2，x=vt得v===x； （2）设摆锤质量为m，由mv2=mgh得m(x)2=mgL(1-cos θ)，整理x2=4HL(1-cos θ)。 33 02. 课堂练习 4.(2023·滨州市高一期中)用如图甲的实验装置验证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。实验中获取的一条纸带如图乙所示，0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个打下的点(图中未标出)，打点频率为50 Hz，计数点间的距离已标记在纸带上。已知m1=50 g，m2=150 g。(g=9.8 m/s2，所有结果均保留三位有效数字) 34 02. 课堂练习 (1)在纸带上打下计数点5时的速度v5=　　　 m/s。  (2)在打下0~5的过程中系统动能的增加量ΔEk=　　　　 J，系统重力势能的减少量ΔEp=　　　　 J。  (3)由此得出的结论是：__________________________________________  　　　 。  (4)在本实验中，若某同学作出了-h图像，如图丙所示，则当地的重力加速度的测量值g=　　　　 m/s2。  35 02. 课堂练习 【解析】（1）由于相邻两计数点间还有4个打下的点，则相邻计数点之间的时间间隔T=5× s=0.1 s，则在纸带上打下计数点5时的速v5= m/s=2.40 m/s。 （2）在打下0~5的过程中系统动能的增加量ΔEk=(m1+m2)=0.576 J，系统重力势能的减少量ΔEp=m2gh05-m1gh05=0.588 J （3）根据上述数据可知，在误差允许的范围内，m1、m2组成的系统机械能守恒。 （3）根据(m2-m1)gh=(m2+m1)v2，解得=h则有= m/s2，解得g=9.70 m/s2 36 谢谢大家！ 37 方法一：利用起始点和第n点计算，代入ghn和eq \f(1,2)veq \o\al(2,n)，如果在实验误差允许的范围内，ghn＝eq \f(1,2)veq \o\al(2,n)，则验证了机械能守恒定律。 方法二：任取两点计算。先任取两点A、B测出hAB，算出ghAB。再算出eq \f(1,2)veq \o\al(2,B)－eq \f(1,2)veq \o\al(2,A)的值。如果在实验误差允许的范围内，ghAB＝eq \f(1,2)veq \o\al(2,B)－eq \f(1,2)veq \o\al(2,A)，则验证了机械能守恒定律。 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eq \f(1,2)v2为纵轴，以h为横轴，绘出eq \f(1,2)v2－h图线，若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。 Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.32 根据h＝gt2得：t＝ 即：H＝ $$