8.5 实验：验证机械能守恒定律 课件 -2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

nullnullnull8.5实验：验证机械能守恒定律 教师： 日期： 月 日 物理雾里悟理 新课引入 机械能守恒定律告诉我们，在只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能相互转化时总的机械能保持不变。 那么，我们可以通过什么样的实验来验证这一定律呢？ 找一个机械能守恒定律的例子去验证一下 物理雾里悟理 一、实验思路 机械能守恒定律：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以互相转化，而总的机械能保持不变。 有哪些物理情景满足机械能守恒的条件？ 自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。 物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力与物体位移方向垂直，对物体不做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。 用细线悬挂的小球摆动时，细线的拉力与小球的运动方向垂直，对物体不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有重力做功，也满足机械能守恒的条件。 …… 物理雾里悟理 自由下落的物体只受到重力作用，满足机械能守恒的条件。 此方案实际操作会有什么问题？如何减少影响？ 重锤： 研究对象要求： 质量尽可能大，体积尽可能小 实验思路1 物理雾里悟理 实验思路2 此方案实际操作会有什么问题？如何减少影响？ 物体沿光滑斜面下滑时，虽然受到重力和斜面的支持力，但支持力与物体位移方向垂直，对物体不做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。 气垫导轨上有很多小孔，空气从小孔喷出，使得滑块与导轨之间有一层薄薄的空气层，滑块运动时受到的阻力很小. 物理雾里悟理 实验思路3 用细线悬挂的小球摆动时，细线的拉力与小球的运动方向垂直，对物体不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有重力做功，也满足机械能守恒的条件。 此方案实际操作会有什么问题？如何减少影响？ 研究对象要求： 小球质量尽可能大，体积尽可能小，细线形变小 物理雾里悟理 二、物理量的测量 机械能守恒定律：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以互相转化，而总的机械能保持不变。 质量的测量：？ 各物理量如何测量？ 高度的测量：？ 速度的测量：？ 物理雾里悟理 方案一：研究自由下落物体的机械能 物理量的测量： 质量→托盘天平 下落高度差→纸带上两点的距离 速度→打点计时器 实验思路：比较重物在某两点间动能的变化与重力势能的变化，验证机械能是否守恒 实验注意事项： 1. 重物下落过程中，除了重力外会受到哪些阻力？怎样减少这些阻力对实验的影响？ 2. 重物下落时，最好选择哪两个位置作为过程的开始和结束的位置？ 质量一定要测量吗？ 物理雾里悟理 思考1：如何确定纸带上的第一个点？ 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）。 h 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。 物理雾里悟理 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： EKA＋mgΔh＝EKB Δh A B 物理雾里悟理 思考2：如何测量物体的瞬时速度? 速度能不能用 v = 2gh 或 v = gt 计算？ 这种方法是根据机械能守恒定律得到的，而我们的目的就是验证机械能守恒定律，所以不能用。 这种方法认为加速度为g ，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际加速度必将小于g，这样将得到机械能增加的结论，有阻力作用机械能应该是减少的，故这种方法也不能用。 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。 物理雾里悟理 实验步骤 把打点计时器安装在铁架台上，用导线将学生电源和打点计时器接好． 把纸带的一端用夹子固定在重锤上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带，使重锤停靠在打点计时器附近． 接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重锤自由下落，打点计时器应该在纸带上打出一系列的点． 重复上一步的过程，打三到五条纸带． 选择一条点迹清晰且第l、2点间距离接近2 mm的纸带，在起始点标上0，以后各点依次为1、2、3……用刻度尺测量对应下落的高度h1、h2、h3，……记人表格中． 物理雾里悟理 用公式vn=hn+1+hn-1/2t，计算出各点的瞬时速度v1、v2、v3……并记录在表格中． 计算各点的重力势能的减少量mgh。和动能的增加量，并进行比较．看是否相等，将数值填人表格内． 测量点n 1 2 3 4 5 6 高度hn /m 速度vn /m/s 势能EP /J 动能EK /J 思考3：数据处理？（列表法） 物理雾里悟理 可以不测量质量吗？ 0 h v 2 1 2 gh = v 2 1 2 该图象的斜率表示什么？ 为什么图象通过原点？ 图像法处理数据 思考3：数据处理？（图像法） 物理雾里悟理 0 1 2 3 4 5 6 7 8 思考4 ：误差分析：（站立式讨论） 重物下落要克服阻力做功,致ΔEK必小于-ΔEP。 ①偶然误差: ②系统误差: 测量长度和描点时带来误差 (1)多次测量取平均值 (2)依次测量后面的点与第一点之间的距离。 h3 h1 h2 (1)选择体积小、密度大的重物减小空气阻力 (2)固定打点计时器时保证两个限位孔竖直； 释放纸带时，保证纸带竖直减小摩擦阻力 物理雾里悟理 你可以行！ 1、如图所示为“验证机械能守恒定律”实验的装置图．实验中，为减小空气阻力对实验的影响，下列操作可行的是（ ） A. 选用密度大、体积小的重物 B. 打点计时器两限位孔在同一竖直线上 C. 释放前手应提纸带上端并使纸带竖直 D. 重物下落过程中手始终提住纸带的上端 A 物理雾里悟理 2、某同学用如图1所示的实验装置验证机械能守恒定律。 (1)对于本实验操作的说法正确的是______。 A.打点计时器的两个限位孔应在同一条 竖直线上 B.应用秒表测出重物下落的时间 C.重物的密度和质量选用的大些，有利 于减小误差 D.重物的密度和质量选用的小些，有利 于减小误差 AC 你可以行！ 物理雾里悟理 3、某同学做“验证机械能守恒定律”实验时，不慎将一条挑选出的纸带的一部分损坏，损坏的是前端部分，剩下的一段纸带上各相邻点间的距离已测出并标在图中，单位是cm。打点计时器工作频率为50 Hz，重物的质量为m，重力加速度g取9.8 m/s2。 (1)重物在打下2点时的速度v2＝_____m/s 在打下5点时的速度v5＝______m/s，重物从打下2点到打下5点的过程中动能增加量ΔEk＝________ J，重力势能减少量ΔEp＝________ J。由以上可得出实验结论_______________________________________________________。(2)重物获得的动能往往_______(选填“大于”“小于”或“等于”)减少的重力势能，实验中产生系统误差的原因是__________________________________。 1.50 2.08 1.04m 1.06m 在误差允许的范围内，重物机械能守恒　 小于 摩擦阻力及到空气阻力作用 -ΔEp＝mgh25＝m×9.8×(3.2＋3.6＋4.0)×10－2 J≈1.06m 你可以行！ 物理雾里悟理 1.实验原理： 2.实验装置： 气垫导轨、光电门、带遮光条的滑块 3.实验步骤： ①把气垫导轨调成倾斜状态 ②用光电门测量滑块的瞬时速度v1、v2。 ③测量滑块下降的高度 Δh 1 2 mv22 1 2 - mv12 d 方案二：研究沿（光滑）斜面下滑物体的机械能 物理雾里悟理 4、为了验证物体沿光滑斜面下滑的过程中机械能守恒，某学习小组用如图所示的气垫导轨装置a(包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条、数字毫秒计)进行实验。此外可使用的实验器材还有：天平、游标卡尺、刻度尺。 (1)某同学设计了如下的实验步骤，其中不必要的步骤是________； ①在导轨上选择两个适当的位置A、B安装光电门Ⅰ、Ⅱ，并连接数字毫秒计；②用天平测量滑块和遮光条的总质量m； ③用游标卡尺测量遮光条的宽度d； ④通过导轨上的标尺测出A、B之间的距离l； ⑤调整好气垫导轨的倾斜状态； ⑥将滑块从光电门Ⅰ左侧某处，由静止开始释放， 从数字毫秒计读出滑块通过光电门Ⅰ、Ⅱ的时间Δt1、Δt2； ⑦用刻度尺分别测量A、B点到水平桌面的高度h1、h2； ⑧改变气垫导轨倾斜程度，重复步骤⑤⑥⑦，完成多次测量。 ②④ 你可以行！ 物理雾里悟理 为了验证物体沿光滑斜面下滑的过程中机械能守恒，某学习小组用如图所示的气垫导轨装置(包括导轨、气源、光电门、滑块、遮光条、数字毫秒计)进行实验。此外可使用的实验器材还有：天平、游标卡尺、刻度尺。 (2)在误差允许范围内，若h1－h2＝_______________(用上述必要的实验步骤直接测量的物理量符号表示，已知重力加速度为g)，则认为滑块下滑过程中机械能守恒； (3)写出两点产生误差的主要原因：______________________________________________________________________________________。 ①滑块在下滑过程中受到空气阻力作用，②遮光条宽度不够窄，测量速度不准确 物理雾里悟理 方案三：系统守恒法 1.实验原理： 2.实验装置： 1 2 M m d S 1 2 1 2 物理雾里悟理 5、某同学利用水平放置的气垫导轨和光电门“验证机械能守恒定律”，装置如图所示。已知滑块的质量为M，钩码的质量为m，重力加速度大小为g.测得遮光条的宽度为d，光电门A、B之间的距离为l，滑块通过光电门A、B的时间分别为t1、t2. (1)滑块通过光电门A时的速度大小vA=__________。 (2)要验证滑块与钩码组成的系统机械能守恒，需要验证的表达式为______________________(用题干中的物理量表示)。 (3)根据实验数据发现钩码重力势能的减少量大于系统动能的增加量，请写出一条可能的原因______________________________________。 A 实验过程中存在阻力，导致动能减少 你可以行！ 物理雾里悟理 Lavf57.83.100 $$nullnullnull