5. 实验：验证机械能守恒定律（教学课件）物理人教版必修第二册

第八章 机械能守恒定律 人教版（2019）必修 第二册 5. 实验：验证机械能守恒定律 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 理解机械能守恒定律的内涵，能表述“在只有重力（或弹力）做功的系统中，动能与势能相互转化，总机械能保持不变”的核心观点。 科学思维 通过实验数据推理机械能守恒的条件，体会“控制变量法”（在物理研究中的应用。能对实验误差进行分析，理解“近似法”在实际问题中的合理性。 科学探究 能独立完成“自由落体法验证机械能守恒”实验，包括安装装置、操作步骤和数据采集。 科学态度与责任 通过实验操作，培养严谨求实的科学态度，认识到“理论推导”与“实验验证”相结合是物理规律建立的重要途径。 学习目标 实验思路 01 物理量的测量 02 研究自由下落物体的机械能 03 教学内容 研究沿斜面下滑物体的机械能 04 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 根据实验原理，设计验证机械能守恒实验的方案。 能够正确的操作，收集实验数据和处理实验数据。 能够对实验数据做出最后的分析和误差分析。 重点难点 (1)如何判断一个物体和系统机械能守恒？ (2)机械能守恒定律的内容是什么？ (3)如果让你设计一个实验来验证机械能守恒定律，你觉得应该从哪些方面来设计这样一个实验？ 课堂导入——复习与讨论 01 PART 01 第一部分 实验思路 探究新知 7 (1)根据你所设计验证机械能守恒定律的实验方案，结合机械能守恒定律，你认为在实验中需要测量哪些物理量？ (2)根据你所学的以往的知识，你是否可以说一下用什么方法或者工具测量这些物理量呢? 探究新知——思考与讨论 02 PART 02 第二部分 物理量的测量 探究新知 9 (1)根据机械能守恒的条件和你所举的实例，你是否可以从中选择一个实例来验证机械能守恒定律呢？ (2)说一说你如何用你选择的实例来验证机械能守恒定律？能否说一下具体的实验设计或者方案呢? 探究新知——思考与讨论 需要测量三个物理量： (1)物体的质量（天平）； (2)物体所处位置的高度（刻度尺）； (3)物体的运动速度（速度传感器、光电门、纸带平均速度法）。 探究新知——物理量的测量 03 PART 03 第三部分 研究自由下落物体的机械能 探究新知 12 (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，你认为还需要哪些器材？ (2)选择重物时，选轻一点的好还是重一点的好？为什么？ (3)安装打点计时器时，应注意什么问题？这样做的目的是什么？ 探究新知——思考与讨论 阻力不可避免，为减小其对实验影响，应选用密度较大重物。 计时器与纸带孔调至竖直，固定于铁架台并伸出桌外。降低纸带与限位孔摩擦所致实验误差；确保重物有充足下落空间，以在纸带上打出较多点，便于计算。 (4)实验时，接通电源和释放纸带的顺序怎样？ (5)释放纸带时应注意什么问题？ 探究新知——思考与讨论 释放重物前，应使其靠近打点计时器以打出更多点；稳拉纸带上端，确保重物静止释放。 铁架台(带铁夹)、打点计时器、重物(带夹子)、纸带(数条)、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源。 探究新知——实验器材 (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。 探究新知——实验步骤 (1)为什么要选择第1、2两点间距接近2 mm的纸带？ (2)你如何测量重物下降的高度，测量时如何更加准确的读取数值? (3)你如何测量纸带上某点的瞬时速度，它的依据是什么? (4)在这一实验方案中，你认为可以用什么样的方法来验证机械能守恒？ 探究新知——思考与讨论 探究新知——数据分析 探究新知——数据分析 探究新知——数据分析 (1)你认为是否可以根据v=gt来求实验中所需要的某点的瞬时速度？ (2)不能用这种方式求解某点瞬时速度的原因是什么? (3)你认为这个实验引起误差的原因有哪些，我们如何来减小误差呢? 探究新知——思考与讨论 (1)减小各种阻力的措施 ①安装时使打点计时器的限位孔与纸带处于同一竖直平面内； ②应选用质量和密度较大的重物。 (2)因重物下落过程中要克服阻力做功，实验中动能增加量必定稍小于重力势能减少量，否则实验数据不准确。 探究新知——注意问题 探究新知——实验演示 【例1】如图所示，用自由落体运动做“验证机械能守恒定律”的实验中，某小组多次记录下落高度h和相应的速度大小v，作出的v2-h图像如图所示，当地的重力加速度为g。关于此实验说法正确的是（　　） A．由于重锤质量可以不用测量，故对重锤质量大小不作要求 B．应先释放重物后接通电源 C．若图线斜率接近2g，则重锤机械能守恒 D．若图线斜率接近g，则重锤机械能守恒 探究新知——典例解析 C 探究新知——典例解析 【答案】C 【详解】A．验证机械能的表达式中，重锤质量被约去，所以重锤质量可以不用测量，但为了减小空气阻力的影响，应选用质量较大，体积较小的重锤，故A错误； B．为了充分利用纸带，应先接通电源后释放重物，故B错误； CD．根据机械能守恒可得可得可知若图线斜率接近2g，则重锤机械能守恒，故C正确，D错误。 故选C。 04 PART 04 第四部分 研究沿斜面下滑物体的机械能 探究新知 26 (1)如果你要通过研究沿斜面下滑物体的机械能的变化来验证机械能守恒定律，根据所要测量的物理量，你认为还需要哪些器材？ (2)在使用这些器材进行测量时，你需要注意什么问题? (3)你是否可以设计出详细的实验方案，完成这个验证实验? 探究新知——思考与讨论 (1)实验器材：气垫导轨、数字计时器、带有遮光条的滑块。 (2)实验装置：如图所示，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，忽略空气阻力，重力势能减小，动能增大。 探究新知——实验器材与装置 (1)为什么要用气垫导轨，它的作用是什么？ (2)你如何测量滑块下降的高度? (3)你如何测量纸带上某点的瞬时速度，这个速度的测量值是否有误差，如果有误差，你认为如何减小误差呢? 探究新知——思考与讨论 探究新知——实验测量及数据处理 两光电门之间的距离稍大一些，可以减小误差；遮光条的宽度越____，误差越小。 窄 探究新知——误差分析 探究新知——实验演示 【例2】用图示气垫导轨装置做“验证系统机械能守恒定律”的实验，下列说法正确的是（　　） A．需将气垫导轨右端适当调高以平衡摩擦力 B．实验中不需要测量钩码和滑块的质量 C．钩码的质量不需要远小于滑块的质量 D．钩码减小的重力势能等于滑块增加的动能 探究新知——典例解析 C 探究新知——典例解析 【答案】C 【详解】A．实验前将导轨调至水平即可，因为滑块滑动时与导轨之间没有摩擦力产生，因此不需要导轨平衡摩擦力，故A错误； BD．设遮光条的宽度d、滑块释放时遮光条中心到光电门中心的距离L、遮光条通过光电门的时间，可知滑块到光电门时的速度大小 滑块从静止释放运动到光电门的过程中，若系统符合机械能守恒定律，则钩码减小的重力势能等于钩码和滑块增加的动能，满足的关系式为则需要测量钩码和滑块的质量，故BD错误。 C．实验中钩码的质量不需要远小于滑块的质量，故C正确； 故选C。 课堂小结 课堂练习 1．小强同学用如图甲所示的装置做“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计时点间的距离已测出，如图乙所示。重物的质量m=50g，已知打点计时器的打点周期T=0.02s，取重力加速度大小g=9.8m/s2。计算结果均保留两位有效数字。 (1)打2点时重物的速度大小为 m/s，打5点时重物的速度大小为 m/s。 (2)从打2点时运动至打5点时的过程中重物的动能增加量△Ek= J，重力势能减少量△Ep= J。比较计算结果可得实验结论：在误差允许的范围内，机械能守恒定律成立。 课堂练习 【答案】(1) 1.5 2.1 (2) 0.054 0.052 【详解】（1）[1][2]打2点时重物的速度大小 同理可得打5点时重物的速度大小 （2）[1]重物动能的增加量 [2]重力势能的减小量 课堂练习 2．小王同学用如图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验中所用重物（含夹子）的总质量为m，当地重力加速度大小为g，在实验中得到一条点迹清晰的纸带，纸带中连续的7个计时点O、A、B、C、D、E、F之间的距离如图乙所示，其中O点是打下的第一个点，相邻两个计时点之间的时间间隔为T。 (1)打点计时器的工作电源是 （选填“直流”或“交流”）电源。 (2)从打下O点到打下D点的过程中，重物的重力势能的减少量为 ，动能的增加量为 。（用所给字母表示） (3)在正确操作的情况下，通过计算发现，重物动能的增加量略小于重力势能的减少量，则原因可能是 。 课堂练习 课堂练习 3．如图1是验证机械能守恒定律的实验装置。（g取9.8m/s2） (1)下列做法正确的有______。 A．必须要称出重锤的质量 B．图中打点计时器两限位孔必须在同一竖直线上 C．数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、末位置 D．可以用计算某点速度 课堂练习 (2)选出一条清晰的纸带如图2所示，其中点为打点计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数点，打点计时器连接频率为的交变电流。用刻度尺测得A、B、C三点到点的距离如图2所示，重锤的质量为。甲同学根据以上数据算出：当打点计时器打B点时重锤的重力势能比开始下落时减少了 J，此时重锤的动能为 J。（结果均保留三位有效数字） 课堂练习 (3)乙同学利用他自己实验时打出的纸带，测量出了各计数点到打点计时器打下的第一个点的距离，算出了各计数点对应的速度，然后以为横轴、以为纵轴作出了如图3所示的图线，发现图线明显未过原点，若实验测量与计算均无错误，则出现这一问题的原因可能是 。 课堂练习 【答案】(1)B (2) 1.85 1.81 (3)先释放纸带后接通电源打点 【详解】（1）A．若从打点计时器打下的第一个点开始，根据机械能守恒定律有 重锤质量可以消去，可知，实验中，不需要称出重锤的质量，故A错误； B．为了减小纸带与限位孔之间阻力的影响，图中打点计时器两限位孔必须在同一竖直线上，故B正确； C．为了减小实验测量误差，数据处理时，应选择纸带上距离较远的两点作为初、末位置，故C错误； D．实验中根据全程平均速度等于中间时刻的瞬时速度求解某点的速度，不能够用计算某点速度，故D错误。 故选B。 课堂练习 课堂练习 4．用如图所示的装置来验证机械能守恒定律。在固定的光滑斜面上安装光电门A和B，让带有遮光条的滑块沿着斜面匀加速下滑，测得遮光条通过光电门A、B的遮光时间分别为，以及两光电门中心间的距离为L，滑块（含遮光条）的质量为m，遮光条的宽度为d，斜面的倾角为，重力加速度大小为g。回答下列问题： (1)滑块通过光电门A、B时的速度大小分别为 、 。 (2)滑块从光电门A运动到光电门B的过程中重力势能的减小量 。 (3)若 成立，则可验证机械能守恒定律。 课堂练习 课堂练习 5．利用气垫导轨验证机械能守恒定律，实验装置示意图如图所示。实验步骤如下： ①将气垫导轨放置在水平桌面上，并调节导轨至水平状态。 ②测量遮光条的宽度以及两光电门中心之间的距离。 ③把滑块移至光电门1右侧适当位置，待槽码静止后，释放滑块，确保槽码落地前遮光条能通过光电门2。 ④从数字计数器（图中未画出）上分别读出遮光条通过光电门1和光电门2所用的时间和。 ⑤用天平分别称出滑块和遮光条的总质量以及槽码的质量。（已知当地重力加速度大小为） 课堂练习 (1)滑块通过光电门1和光电门2时瞬时速度大小分别为 和 。（结果用表示） (2)在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统（包括滑块、遮光条、槽码）的总动能增加量为 。（结果用表示） (3)在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少量 。（填正确答案标号） A． B． C． 课堂练习 (4)如果在误差允许的范围内，则可认为验证了机械能守恒定律。实际比较与的大小时，发现，出现这一结果的原因可能是__________。（填正确答案标号） A．滑轮质量较大 B．存在空气阻力和摩擦力 C．遮光条宽度的测量值偏大 课堂练习 【答案】(1) (2) (3)B (4)C 【详解】（1）[1][2]因遮光条宽度很小，可将遮光条通过光电门时的平均速度当作瞬时速度，则有， （2）在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统（包括滑块、遮光条、槽码）的总动能增加量为 （3）在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统势能的减少。故选B。 （4）A．滑轮质量较大，考虑到滑轮转动消耗的系统机械能，小于，故A错误； B．存在空气阻力和摩擦力，导致小于，故B错误； C．遮光条宽度的测量值偏大，根据，可知滑块通过光电门的速度偏大，会导致稍大于，故C正确。 故选C。 布置作业 1.认真阅读课本本节内容，并完成课后“练习与应用”； 2.完成分层作业。 谢谢聆听 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 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 (1)测量两光电门之间的高度差Δh； (2)滑块经过两光电门时遮光条遮光时间Δt1和Δt2，计算滑块经过两光电门时的瞬时速度。 若遮光条的宽度为ΔL，则滑块经过两光电门时的速度分别为v1＝____，v2＝____； (3)若在实验误差允许范围内满足mgΔh＝eq \f(1,2)mveq \o\al(2,2)－eq \f(1,2)mveq \o\al(2,1)，则验证了机械能守恒定律。 Lavf58.12.100 $