高中物理人教版 (2019)必修 第二册实验：验证机械能守恒定律备课课件ppt

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册实验：验证机械能守恒定律备课课件ppt，共73页。
基础知识·准落实梳理归纳 自主学习
一、实验目的1. 会制订实验方案，验证机械能守恒定律。2. 练习使用打点计时器或气垫导轨等器材。
二、实验思路　机械能守恒的前提是“只有重力或弹力做功”，因此研究过程一定要满足这一条件。本节实验我们以只有重力做功的过程进行研究。
三、物理量的测量及数据分析
（1）只有重力做功时，只发生重力势能和动能的转化。
（3）所需测量的物理量：物体所处两位置之间的高度差、物体的运动速度。
四、参考案例案例1　研究自由下落物体的机械能1. 实验器材铁架台（带铁夹）、打点计时器、重物（带夹子）、纸带、复写纸（或墨粉纸盘）、导线、刻度尺、交流电源。2. 实验步骤（1）安装装置：按图甲所示把打点计时器安装 在铁架台上，用导线把打点计时器与电源 连接好。
（2）打纸带：在纸带的一端把重物用夹子固定好，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近。先接通电源后释放纸带，让重物拉着纸带自由下落。重复几次，得到 3～5条打好点的纸带。（3）选纸带并测量：选择一条点迹清晰的纸带，确定要研究的开始和结束的位置，测量并计算出两位置之间的距离Δh及在两位置时纸带的速度，代入表达式进行验证。
方法一：利用起始点和第n点
方法二：任取两点A、B
若在实验误差允许的范围内图线是一条过原点且斜率为g的直线，则机械能守恒定律得到验证。
方法三：图像法（如图所示）。
4. 误差分析本实验的误差主要是测量纸带产生的偶然误差以及重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差。
（1）安装打点计时器时，要使两限位孔在同一竖直线上，以减小摩擦阻力。
（2）应选用质量和密度较大的重物。
（3）实验时，应先接通电源，让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落。
（4）本实验中的几种验证方法均不需要测重物的质量m。
案例2　研究沿斜面下滑物体的机械能1. 实验器材如图所示，气垫导轨、数字计时器、带有遮光条的滑块。
2. 实验过程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。
3. 物理量的测量及数据处理
（1）测量两光电门之间的高度差Δh；
（2）根据滑块经过两光电门时遮光条的遮光时间Δt1和Δt2，计算滑块经过两光电门时的瞬时速度。
4. 误差分析两光电门之间的距离稍大一些，可以减小误差；遮光条的宽度越小，误差越小。
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【典例1】　图甲为验证“机械能守恒定律”的实验装置示意图。现有的器材为：带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带夹子的重锤、天平、刻度尺、低压交流电源。回答下列问题：
（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”上C. 用天平测出重锤的质量D. 先接通电源，后释放纸带，打出一条纸带E. 测量纸带上某些点间的距离F. 根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能其中操作错误的步骤是 ⁠。
解析：其中操作错误的步骤是将打点计时器接到电源的“直流输出”上，打点计时器需要接交流电源。
（2）实验中误差产生的原因有 ⁠ ⁠ ⁠ （写出两个原因）。
解析：纸带与打点计时器之间有摩擦力以及空气阻力；用刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算重力势能变化时，选取初、末两点距离过近；交流电源频率不稳定等。
纸带与打点计时器之间有摩擦力以及
空气阻力；用刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差；计算
重力势能变化时，选取初、末两点距离过近；交流电源频率不
稳定（任选两个便可）　
1. 在利用自由落体运动做“验证机械能守恒定律”的实验时，某同学选择一条较为满意的纸带，如图甲所示。他舍弃前面密集的点，以点0为起点，从点1开始选取纸带上连续点1、2、3…，测出点0到点1、2、3的距离分别为h1、h2、h3，打点周期为T。
（1）打点2时，重锤速度v2的表达式为 。（用已知量表示）
解析：图线不过坐标原点，即h＝0时，速度不为零，可知打下0点时重锤有一定的速度，故A、B错误，C正确。
【典例2】　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2点的速度v2＝ m/s，在5点的速度v5＝ m/s，重物从2点到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 ⁠ ⁠。
在误差允许的
范围内，重物机械能守恒　
（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 ⁠ ⁠。
解析：由于纸带受到摩擦力作用以及重物受到空气阻力作用，重物下落过程中需克服摩擦力和空气阻力做功，所以获得的动能小于减少的重力势能。
到摩擦力作用以及重物受到空气阻力作用　
（3）根据实验判断下列图像正确的是（其中ΔEk表示重物动能的变化量，Δh表示物体下落的高度） ⁠。
解析： 在误差允许的范围内，重物机械能守恒，重物减少的重力势能转化为增加的动能，即ΔEk＝mgΔh，可见重物增加的动能与下落的高度成正比，选项C正确。
2. 现利用如图所示的装置“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。
（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：在实验误差允许的范围内，滑块的机械能守恒。
在实验误差允许的范围内，滑块的机
【典例3】　用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律，物块2从高处由静止开始下落，物块1上拖着的纸带打出了一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。图乙给出的是实验中获取的一条纸带，其中0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个计时点（图中未标出），计数点间的距离下图乙所示。已知物块1、2的质量分别为m1＝50 g、m2＝150 g。（电源频率为50 Hz，结果均保留两位有效数字）
（1）在纸带上打下计数点5时的速度v5＝ m/s。
（2）在打点0～5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。（g取10 m/s2）
（1）实验原理的创新：实验验证的是m1和m2两个物体组成的系统机械能守恒问题，所以在分析实验原理时应注意求解系统动能和系统重力势能的变化；
（2）实验数据处理的创新：通过实验数据画出图像，可通过图像斜率求解重力加速度。
3. 小吴利用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。所用器材有：小球、细线、拉力传感器（可以测量细线的拉力）、托盘秤。当地的重力加速度大小为g。
（1）将小球静置于托盘秤上，如图乙所示，托盘秤表盘的示数如图丙所示，则小球的质量m＝ kg。
解析：将小球静置于托盘秤上，如图乙所示，托盘秤表盘的示数如图丙所示，则小球的质量为m＝0.10 kg。
（2）细线一端与小球相连，另一端绕在水平轴O上。将小球拉至与水平轴O同一高度处后由静止释放，小球在竖直平面内做圆周运动，若小球通过最低点时拉力传感器的示数为F，则能验证机械能守恒定律的等式为F＝ ⁠。
（3）若测得水平轴O与小球之间的细线长度为L，小球的直径为d，则小球做圆周运动的最大速度vm＝ ⁠。
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消除了纸带与打点计时器之间的摩擦力影响　
3. “验证机械能守恒定律”的实验可以采用如图甲或图乙所示的方案来进行。（1）比较这两种方案，图 （选填“甲”或“乙”）所示方案好些。
解析： 验证机械能守恒定律实验的前提是只有重力做功，实际操作的方案中应该使摩擦力越小越好。乙装置中小车与斜面间存在的摩擦力较大，会产生较大误差，故甲方案好一些。
（2）图丙是该实验中得到的一条纸带，测得相邻两个计数点间的距离如图丙中所示，已知相邻两个计数点之间的时间间隔T＝0.1 s。物体运动的加速度a＝ m/s2（结果保留两位有效数字）；该纸带是采用图 （选填“甲”或“乙”）所示方案得到的。
（3）图丁是采用图甲所示方案时得到的一条纸带，在计算图中打N点时重物的速度时，相邻两计数点之间的时间间隔为T，下列方法正确的是 （填正确选项前的字母）。
解析：由于实验中存在阻力的作用，故处理纸带数据时不能利用重力加速度g来计算某点的速度，应利用中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度来计算，故选B。
4. （2024·浙江杭州期末）某课外活动小组利用竖直上抛运动验证机械能守恒定律。
（1）某同学用如图所示的弹射装置将直径为1.020 cm的小球竖直向上抛出，先后通过光电门A、B，计时装置测出小球通过A、B的时间分别为2.55 ms、6.15 ms，由此可知小球通过光电门A、B时的速度分别为vA、vB，其中vA＝ m/s。
（2）用刻度尺测出光电门A、B间的距离h，已知当地的重力加速度为g，只需比较 （用题目中涉及的物理量符号表示）是否相等，就可以验证机械能是否守恒。
（3）通过多次实验发现，小球通过光电门A的时间越短，（2）中要验证的两数值差越大，试分析实验中产生误差的主要原因是 ⁠。
解析：由于受到空气阻力作用，小球通过光电门A的时间越短，可知速度越大，空气阻力越大，空气阻力做的功越多，（2）中要验证的两数值差越大。
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。
（1）实验步骤：①将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于 1 m，将导轨调至水平。
②用游标卡尺测出挡光条的宽度l。
③由导轨标尺读出两光电门中心间的距离s＝ cm。
④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2。
⑤从数字计时器（图中未画出）上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间Δt1和Δt2。
⑥用天平测出滑块和挡光条的总质量M，再测出托盘和砝码的总质量m。
解析：③s＝80.30 cm－20.30 cm＝60.00 cm。
①滑块通过光电门1和光电门2时，瞬时速度分别为v1＝ ⁠和v2＝ ⁠。
②当滑块通过光电门1和光电门2时，系统（包括滑块、挡光条、托盘和砝码）的总动能分别为Ek1＝ ⁠和Ek2＝ ⁠。
（2）用表示直接测量量的字母写出下列物理量的表达式。
③在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统重力势能的减少量ΔEp＝ （重力加速度为g）。
（3）如果ΔEp＝ ，则可认为验证了机械能守恒定律。
6. （2024·山东青岛期末）如图所示的是小明同学为验证机械能守恒定律自制的实验装置，固定在地面上的平台上表面为四分之一圆弧，一铁架台底端焊接在圆弧最低点F，O点是圆弧的圆心，光电门1、2、3、4、5分别放置在圆弧的六等分点上。已知当地重力加速度为g，实验时轻质细绳一端系在O点，另一端连接一质量分布均匀的小钢球，将小球从圆弧最高点由静止释放，运动过程中细绳始终处于伸直状态。（1）要完成实验，需要测量下列哪些物理量 ⁠；
解析：验证机械能守恒定律的表达式中，质量可以约去，故不需要测量小球的质量m；为了得到小球经过光电门时的速度，需要测量小球的直径d和小球经过光电门的挡光时间Δt；为了得到小球下落的高度，需要测量小球球心到细绳悬点O的距离L。故选B、C。
（2）测得小球通过光电门2、4的挡光时间为Δt2、Δt4，结合（1）中测定的物理量，在误差允许的范围内若满足 的关系，则证明小球在2、4两点的机械能相等；
（3）以细绳与水平方向夹角θ的正弦sin θ为横坐标，小球速度的平方v2为纵坐标，作出v2-sin θ的关系图线，若摆动过程中机械能守恒，图线的斜率为 （结果用题中所给字母表示）。