第5節(jié)　實驗：驗證機械能守恒定律 教學(xué)課件

物理第八章機械能守恒定律第5節(jié)實驗：驗證機械能守恒定律01基礎(chǔ)儲備明確原理02熱點實驗典例解讀一、實驗原理做自由落體運動的物體，在下落過程中，重力勢能減少，動能增加，如果重力勢能的減少量等于動能的增加量，就驗證了機械能守恒定律．二、實驗器材鐵架臺(帶鐵夾)、電磁打點計時器、重物(帶夾子)、紙帶、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、低壓交流電源(4～6V)．三、實驗步驟1．安裝裝置：按圖甲所示把打點計時器安裝在鐵架臺上，用導(dǎo)線把打點計時器與電源連接好．2．打紙帶：在紙帶的一端把重物用夾子固定好，另一端穿過打點計時器的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物?？吭诖螯c計時器附近．先接通電源后釋放紙帶，讓重物拉著紙帶自由下落．重復(fù)幾次，得到3～5條打好點的紙帶．3．選紙帶：從打好點的紙帶中挑選點跡清晰且開始的兩點間距接近2mm的一條紙帶，在起始點標上0，以后任取間隔相同時間的點依次標上1、2、3、…，如圖乙所示．4．測距離：用刻度尺測出0到1、2、3、…的距離，即為對應(yīng)下落的高度h1、h2、h3、….方法三：圖像法(如圖所示)．

若在實驗誤差允許范圍內(nèi)圖線是一條過原點且斜率為g的直線，則驗證了機械能守恒定律．五、誤差分析本實驗的誤差主要是由紙帶測量產(chǎn)生的偶然誤差以及重物和紙帶運動過程中的空氣阻力及打點計時器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差，減小偶然誤差的方法是多測幾次取平均值．六、實驗注意事項1．打點計時器安裝要穩(wěn)固，并使兩限位孔的中線在同一豎直線上，以減小摩擦阻力．2．應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力的影響相對減?。?．實驗時，應(yīng)先接通電源，讓打點計時器正常工作后再松開紙帶讓重物下落．熱點一實驗原理與操作

【例1】“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置可以采用圖示的甲或乙方案來進行．(1)比較這兩種方案，______(選填“甲”或“乙”)方案好些．(2)在“驗證機械能守恒定律”的實驗中，直接測量的物理量是________．A．重力加速度 B．重物下落的高度C．重物下落的瞬時速度 D．重物下落的平均速度(3)在進行“驗證機械能守恒定律”的實驗時，應(yīng)________．A．先釋放紙帶，再接通電源B．用手托住重物由靜止釋放C．根據(jù)v＝gt計算重物在t時刻的速度D．使重物下落的起始位置靠近打點計時器[解析]

(1)甲方案摩擦阻力小，誤差小，而且方便操作，所用實驗器材少，所以甲方案好些．(2)驗證機械能守恒定律的實驗，重力勢能減少量等于動能的增加量，所以重力加速度是已知的，無須測量，A錯誤；實驗要計算重力勢能的減少量，所以需要測量重物下落的高度，B正確；本實驗下落的瞬時速度是根據(jù)紙帶處理得到，無法直接測量，而平均速度本實驗用不到，C、D錯誤．(3)根據(jù)實驗操作，接通電源打點穩(wěn)定后，再釋放紙帶，A錯誤；釋放時，紙帶應(yīng)豎直，減少與限位孔的摩擦，所以釋放時，應(yīng)按題圖甲中所示的方式，B錯誤；因為要驗證機械能守恒，所以速度需根據(jù)實際的紙帶計算，而不能用自由落體公式計算，因為自由落體運動只受重力，機械能一定守恒，C錯誤；釋放紙帶前，重物應(yīng)靠近打點計時器，這樣可以充分利用紙帶，D正確．[答案]

(1)甲(2)B

(3)D[針對訓(xùn)練1]利用如圖所示裝置做“驗證機械能守恒定律”實驗．(1)為驗證機械能是否守恒，需要比較重物下落過程中任意兩點間的________．A．動能變化量與勢能變化量B．速度變化量和勢能變化量C．速度變化量和高度變化量(2)除帶夾子的重物、紙帶、鐵架臺(含鐵夾)、電磁打點計時器、導(dǎo)線及開關(guān)外，在下列器材中，還必須使用的器材是________．A．已知頻率的交流電源B．刻度尺C．天平(含砝碼)D．停表解析：(1)為驗證機械能是否守恒，需要比較重物下落過程中任意兩點間動能的增加量和重力勢能的減少量是否相等，故A正確；(2)打點計時器使用交流電源，實驗中需要測量點跡間的距離，從而得出瞬時速度和下降的高度，所以需要刻度尺．實驗中驗證動能的增加量和重力勢能的減少量是否相等，質(zhì)量可以約去，不需要測量質(zhì)量，則不需要天平，打點計時器根據(jù)電源頻率可以知道時間，故不需要停表，故A、B正確．答案：(1)A

(2)AB(2)圖乙是該實驗小組得到的一條點跡清晰的紙帶，紙帶上的O點是起始點，選取紙帶上連續(xù)的點A、B、C、D、E、F作為計數(shù)點，并測出各計數(shù)點到O點的距離依次為27.94cm、32.78cm、38.02cm、43.65cm、49.66cm、56.07cm.已知打點計時器所用的電源是50Hz的交流電，重物的質(zhì)量為0.5kg，則從計時器打下點O到打下點D的過程中，重物減小的重力勢能ΔEp＝________J；重物增加的動能ΔEk＝________J，兩者不完全相等的原因可能是__________________．(重力加速度g取9.8m/s2，計算結(jié)果保留3位有效數(shù)字)(3)實驗小組的同學(xué)又正確計算出圖乙中計數(shù)點B、C、D、E、F各點的瞬時速度v，以各計數(shù)點到A點的距離h′為橫軸，v2為縱軸作出圖像，如圖丙所示，根據(jù)作出的圖線，能粗略驗證自由下落的物體機械能守恒的依據(jù)是______________________________________________________________________________________________________________________.[答案]

(1)BC(2)2.14

2.12重物下落過程中受到阻力作用(3)圖像的斜率等于19.52，約為重力加速度g的2倍[針對訓(xùn)練2]現(xiàn)利用如圖所示裝置驗證機械能守恒定律．圖中AB是固定的光滑斜面，斜面的傾角為30°，1和2是固定在斜面上適當(dāng)位置的兩個光電門，與它們連接的光電計時器都沒有畫出．讓滑塊從斜面的頂端滑下，光電門1、2各自連接的光電計時器顯示的擋光時間分別為5.00×10－2s、2.00×10－2s．已知滑塊P質(zhì)量為2.00kg，滑塊沿斜面方向的長度為5.00cm，光電門1和2之間的距離為0.54m，g取9.80m/s2，取滑塊經(jīng)過光電門時的速度為其平均速度．(1)滑塊經(jīng)過光電門1時的速度v1＝________m/s，通過光電門2時的速度v2＝________m/s.(2)滑塊通過光電門1、2之間的動能增加量為________J，重力勢能的減少量為________J.答案：(1)1.00

2.50

(2)5.25

5.292熱點三實驗拓展創(chuàng)新

【例3】某同學(xué)“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置如圖所示．其中，A、B是由跨過定滑輪的細線連接著的兩個物體，C是水平固定在A上的遮光條，1、2是水平固定在鐵架臺上的兩個光電門．實驗中，該同學(xué)先用手握住質(zhì)量較大的A物體使細線繃直，接著由靜止釋放A，記錄遮光條C通過光電門1、2的時間．(1)關(guān)于該實驗，下列說法正確的是________和______．(填選項前字母)A．可以用橡皮筋替代細線B．A、B應(yīng)選密度較大的實心物體C．遮光條的寬度應(yīng)適當(dāng)大一些D．光電門1、2間的高度差應(yīng)適當(dāng)大一些(2)若實驗中已測出A、B、C的質(zhì)量分別為M、m、m0，遮光條的寬度為d，光電門1、2間的高度差為h，還測出了某次實驗中遮光條通過光電門1、2的時間分別為t1、t2，且查出當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊拇笮間.則物體A到達光電門1的速度大小為________；實驗中要驗證的關(guān)系為(M＋m0－m)gh＝________________________．[解析]

(1)若用橡皮筋替代細線，由牛頓第二定律知，釋放A后的加速運動過程中，橡皮筋的伸長量大于系統(tǒng)靜止時，即橡皮筋的彈性勢能會增大，A、B組成的系統(tǒng)機械能不守恒，A錯誤；若A、B是密度較大的實心物體，則質(zhì)量一定的情況下物體體積較小，運動過程中，空氣阻力較小，造成系統(tǒng)機械能的損失較小，B正確；遮光條的寬度若較大，則A通過光電門時的瞬時速度測量誤差較大，C錯誤；光電門1、2間的高度差大一些，高度測量的偶然誤差會減小，D正確．【例4】利用氣墊導(dǎo)軌驗證機械能守恒定律，實驗裝置示意圖如圖所示．(1)實驗步驟：①將氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，桌面高度不低于1m，將導(dǎo)軌調(diào)至水平．②用游標卡尺測出擋光條的寬度l.③由導(dǎo)軌標尺讀出兩光電門中心間的距離s＝________cm.④將滑塊移至光電門1左側(cè)某處，待砝碼靜止時，釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過光電門2.⑤從數(shù)字計時器(圖中未畫出)上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時間Δt1和Δt2.⑥用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M，再稱出托盤和砝碼的總質(zhì)量m.(2)用表示直接測量量的字母寫出下列物理量的表達式．①滑塊通過光電門1和光電門2時，瞬時速度分別為v1＝________和v2＝________．②當(dāng)滑塊通過光電門1和光電門2時，系統(tǒng)(包括滑塊、擋光條、托盤和砝碼)的總動能分別為Ek1＝__________和Ek2＝__________．③在滑塊從光電門1運動到光電門2的過程中，系統(tǒng)重力勢能的減少量ΔEp＝____________(重力加速度為g)．(3)如果ΔEp＝________，則可認為驗證了機械能守恒定律．[針對訓(xùn)練3]為了驗證矩形線框自由下落過程中上、下邊經(jīng)過光電門時機械能是否守恒，使用了如圖所示的實驗裝置．已知矩形線框用直徑為d的圓柱形材料做成，用刻度尺