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

思考：我们熟知的运动中，哪些运动满足仅有重力做功？ 自由落体运动 物体沿光滑斜面下滑 小球的摆动 新课导入 第5节 验证机械能守恒定律 实验演示 思考：如何验证自由落体运动的机械能守恒？ 自由落体运动 ？ = O B 一.实验目的 :借助自由落体运动来验证机械能守恒定律 学习任务一 借助自由落体运动来验证机械能守恒定律 3 思考：如图所示，若要验证O（重物下落的起点）点到B点机械能是否守恒需要测量哪些物理量？ ？ = h h2 h1 O A B C ？ = 需要测量起点O到A、B、C三点的距离h1、h、h2 ？ = 二.实验原理 方法一： 4 方法二：若以重物下落过程中的某一点A为基准，设重物的质量为m，测出物体对应于A点的速度vA 再测出物体由A点下落△h后经过B点的速度vB 则在误差允许范围内，由计算得出 机械能守恒定律即被验证。 方法三：作v2/2－h图象． 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v2/2，然后以v2/2为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出v2/2－h图线． 结论：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． 0 h 该图象的斜率表示什么？ ？ = 三、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 4、选择合适的纸带，处理数据。 3、更换纸带，重复几次。 1、将打点计时器固定在铁架台上，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。 2、用手提着纸带使重物停靠在打点计时器附近。然后先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落。 四、实验步骤 本实验要不要测量物体的质量？ mgh = mv 2 1 2 gh = v 2 1 2 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1 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 2 1 2 h 起始点 问题2 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 思考 速度能不能用 v = 2gh 或 v = gt 计算？ 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。 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。 思考 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？ 实验结论 在实验误差允许范围内，重锤重力势能减少量等于动能的增加量，即机械能守恒。 实验中，重锤的重力势能减小 略大于 其动能增加，其原因是下落中克服阻力做功，机械能略有减少。 思考：为什么重物的重力势能减少量略大于动能的增加量？如何减小它们之间的误差？ 1.重物下落过程中克服阻力做功。 2.减小误差的措施： （1）减小重物下落时受到的空气阻力（选择体积小、密度大的重物）； 系统误差 阻力来源： （1）重物下落过程中受空气阻力； （2）纸带与打点计时器之间存在摩擦阻力. （2）用电火花计时器代替电磁打点计时器； （3）安装打点计时器时保证两个限位孔竖直； （4）释放纸带时，保证纸带竖直。 误差分析 思考：实验中是否存在其他误差？若存在如何减小误差？ 测量纸带长度时存在误差 措施： （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。 偶然误差 h h2 h1 O A B C 例1某同学用如图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50 Hz,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x0=19.00 cm,点A、C间的距离为x1=8.36 cm,点C、E间的距离为x2=9.88 cm,g取9.8 m/s2,测得重物的质量为m=1 kg. (1)下列做法正确的是　　　　(填选项前的字母).  A.图甲中两限位孔必须在同一竖直线上 B.实验前,手应提住纸带上端,使纸带竖直 C.实验时,先放开纸带,再接通打点计时器的电源 D.数据处理时,应选择纸带上距离较近的两点作为 初、末位置 AB [解析] 图甲中两限位孔必须在同一竖直线上,实验前手应提住纸带上端,并使纸带竖直,这是为了减小打点计时器与纸带之间的摩擦,选项A、B正确; 实验时,应先接通打点计时器的电源,再放开纸带,选项C错误; 数据处理时,应选择纸带上距离较远的两点作为初、末位置,以减小长度的测量误差,选项D错误. (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.(结果保留三位有效数字)  [解析]重物减少的重力势能为ΔEp=mg(x0+x1)=2.68 J.由于重物下落时做匀变速运动,根据匀变速直线运动任意时间段中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度可知,打下C点时重物的速度为vC==2.28 m/s. 2.28　 2.68　 (3)根据纸带算出打下各点时重物的速度v,量出下落距离x,则以为纵坐标、以x为横坐标画出的图像应是图中的　　　　(填选项字母).  C　 [解析]重物自由下落过程中机械能守恒,可以得出mgx=mv2,即gx=v2,所以-x图线应是一条过原点的倾斜直线,选项C正确. (4)重物减少的重力势能总是略大于增加的动能,产生这一现象的原因是　 　　　　　　　　　　　.(写出一条即可)  重物受到空气阻力(或纸带与打点计时器之间存在阻力) [解析]在实验过程中,纸带与打点计时器之间的摩擦阻力、空气阻力是存在的,克服阻力做功损失了部分机械能,因此实验中重物减少的重力势能总是略大于增加的动能. 二、实验原理 借助沿斜面下滑物体验证机械能守恒定律 一、实验目的 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 物体沿光滑斜面下滑 学习任务二 借助沿斜面下滑物体验证机械能守恒定律 三、实验器材:气垫导轨和数字计时器 气垫导轨 光电门 数字计时器 实验装置所示。实验操作中，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，重力势能减小，动能增大。测量滑块和挡光片的质量，用光电门测量滑块的瞬时速度。测量滑块下降的高度 Δh 和初、末速度 v1、v2，就可以验证机械能是否守恒 四、实验步骤 例2 [2023·台州中学期中] 图为某实验小组做“验证机械能守恒定律”的实验装置,光电门A、B固定在气垫导轨上,细线两端分别与钩码和滑块相连,重力加速度为g. (1)实验的主要操作如下: ①按图组装好实验器材; ②让滑块从气垫导轨上光电门A 的右侧某位置由静止释放; ③记录遮光条通过光电门 A、B 所用的时间分别为t1、t2; ④改变光电门 B 的位置,进行多次实验. 为完成该实验,还缺少的主要操作是　　　　　　　　　　　.  将气垫导轨调节水平 [解析]为完成该实验,还缺少的主要操作是将气垫导轨调节水平. (2)实验中还需要测量的物理量有　　　　　(填数字序号).  ①滑块的长度D; ②遮光条的宽度d; ③两个光电门之间的距离L; ④滑块(含遮光条)的质量M; ⑤钩码的质量m. ②③④⑤　 [解析]滑块经过两个光电门时的速度分别为v1=、v2=,要验证的关系为mgL=(M+m)()=(M+m),则要测量的物理量是:②遮光条的宽度d;③两个光电门之间的距离L;④滑块(含遮光条)的质量M;⑤钩码的质量m. (3)对于滑块(含遮光条)和钩码组成的系统,重力势能的减少量ΔEp=　　　 　, 动能的增加量ΔEk=　 　　　　　　　.(均用上述所给的字母表示)  [解析]对于滑块(含遮光条)和钩码组成的系统,重力势能的减少量ΔEp=mgL;动能的增加量ΔEk=(M+m). mgL (M+m) (4)实验小组处理采集的多组数据并在坐标系ΔEp-ΔEk中描点作图,如图所示,若两轴的标度相同,造成该实验结果的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　.  [解析]根据ΔEp-ΔEk图像,若ΔEp=ΔEk,则直线倾角为45°,而现在图中直线倾角为42°,可知ΔEp<ΔEk,原因可能是滑块的重力做正功造成的,即气垫导轨没有调水平且B端偏低. 气垫导轨没有调水平且B端偏低 27 课后习题 1．利用图8.5-2的装置做“验证机械能守恒定律”实验。 （1）除带夹子的重物、纸带、铁架台（含铁夹）、打点计时器、导线及开关外，在下列器材中，还必须使用的器材是______________。 A.交流电源B.刻度尺C.天平（含砝码） （2）实验中，先接通电源，再释放重物，得到图8.5-5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，重物的重力势能变化了多少？动能变化了多少？ （3）很多实验结果显示，重力势能的减少量略大于动能的增加量，你认为原因是什么？ 课后习题 2.图8.5-6为一种利用气垫导轨“验证机械能守恒定律”的实验装置。主要实验步骤如下： A.将气垫导轨放在水平桌面上，将导轨调至水平。 B.测出挡光条的宽度d。 C.将滑块移至图示位置，测出挡光条到光电门的距离l。 D.释放滑块，读出挡光条通过光电门的挡光时间t。 E.用天平称出托盘和砝码的总质量m。 F.…… 回答下列问题： （1）在滑块从静止释放到运动到光电门的过程中，系统的重力势能减少了多少？ （2）为验证机械能守恒定律，还需要测量哪个物理量？ （3）若要符合机械能守恒定律的结论，以上测得的物理量应该满足怎样的关系？ Lavf60.4.100 vid:v02004ff0000bv9c8oqpg4hh9f2l10m0 $$