高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律图片ppt课件

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律图片ppt课件，共45页。PPT课件主要包含了实验自主学习，实验互动探究，实验典例突破，课堂素养达标等内容，欢迎下载使用。

一、实验目的1.熟悉瞬时速度的测量方法。2.验证机械能守恒定律。3.能正确进行实验操作,分析实验数据得岀结论,能定性地分析产生误差的原因。二、实验器材铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重物(带夹子)、纸带、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(4～6 V)。
三、实验原理让物体自由下落,忽略阻力情况下物体的机械能守恒,有两种方案验证物体的机械能守恒:方案一:以物体自由下落的位置O为起始点,测岀物体下落高度大小为h时的速度大小v。若 mv2=mgh成立,则可验证物体的机械能守恒。方案二:测岀物体下落高度h过程的初、末时刻的速度v1、v2,若关系式 =mgh成立,则物体的机械能守恒。
实验过程一、实验步骤1.安装置:按图将检查、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: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。先接通电源,后松开纸带,让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做3～5次实验。3.选纸带:选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为2 mm的纸带,把纸带上打出的两点间的距离为2 mm的第一个点作为起始点,记作O,在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、3…4.测距离:用刻度尺测出O点到1、2、3…的距离,即为对应下落的高度h1、h2、h3…
二、数据收集与分析1.计算各点对应的瞬时速度:记下第1个点的位置O,在纸带上从离O点适当距离开始选取几个计数点1、2、3…并测量出各计数点到O点的距离h1、h2、h3…再根据公式vn= ,计算出1、2、3、4…n点的瞬时速度v1、v2、v3、v4…vn。
2.机械能守恒验证:方法一:利用起始点和第n点。从起始点到第n个计数点,重力势能减少量为mghn,动能增加量为 ,计算ghn和 ,如果在实验误差允许的范围内相等,则机械能守恒定律得到验证。方法二:任取两点A、B。从A点到B点,重力势能减少量为mghAB,动能增加量为 ,计算ghAB和 ,如果在实验误差允许的范围内ghAB= ,则机械能守恒定律得到验证。
方法三:图像法。计算各计数点 v2,以 v2为纵轴,以各计数点到第一个计数点的距离h为横轴,根据实验数据绘出 v2-h图线。若在误差允许的范围内图像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。
【误差分析】1.在进行长度测量时,测量及读数不准造成误差。2.重物下落时要克服阻力做功,部分机械能转化成内能,下落高度越大,机械能损失越多,所以实验数据出现了重力势能减少量大于动能增加量的现象。3.由于交流电的周期不稳定,造成打点时间间隔变化而产生误差。
【注意事项】1.应尽可能控制实验满足机械能守恒的条件,这就要求尽量减小各种阻力的影响,采取的措施有:(1)安装打点计时器时,必须使两个限位孔的中线严格竖直,以减小摩擦阻力。(2)应选用质量和密度较大的重物,增大重力可使阻力的影响减小。2.实验中,提纸带的手要保持不动,且保证纸带竖直。接通电源后,等打点计时器工作稳定再松开纸带。
3.纸带选取时以第一个点为起始点时,要验证的是 =mghn,必须保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点,所以前两个点的间距约为2 mm。4.实验中的验证方法均不需要测量重物的质量m。5.计算速度时不能用v=gt或v= ,否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒定律的错误。
【实验探究】1.本实验中对重物的选择有什么要求?提示:应选用质量和密度较大的重物,可使阻力的影响相对减小。2.本实验中为什么挑选第一、二两点间的距离接近2 mm的纸带进行测量?提示:本实验的前提是在重物做自由落体运动的情况下,通过研究重力势能的减少量与动能的增加量是否相等来验证机械能是否守恒的,故应保证纸带(重物)是在打第一个点的瞬间开始下落的。计时器每隔0.02 s打一次点,做自由落体运动的物体在最初0.02 s内下落的距离约等于2 mm,所以若纸带第一、二两点间的距离接近2 mm,就意味着重物是在打第一个点的瞬间开始下落的,从而满足本次实验的前提条件(打第一个点时物体的初速度为零,开始做自由落体运动)。
3.在得到的实验数据中,大部分同学得到的结论是:重物动能的增加量稍小于重力势能的减少量,请问这是怎么造成的呢?提示:重物和纸带下落过程中要克服阻力做功,所以重物动能的增加量稍小于重力势能的减少量。
4.本实验中产生误差的原因主要有哪些?怎样减小误差?提示:(1)做好本实验的关键是尽量减小重物下落过程中的阻力,但阻力不可能完全消除。本实验中,误差的主要来源是纸带摩擦和空气阻力。由于重物及纸带在下落过程中要不断地克服阻力做功,因此重物动能的增加量必稍小于重力势能的减少量,这是系统误差。减小系统误差的方法有:选用密度大的实心重物,重物下落前纸带应保持竖直,选用电火花计时器等。(2)由于测量长度会造成误差,属偶然误差。减小办法:一是测距离都应从O点量起,下落高度h适当大些(过小,h不易测准确;过大,阻力影响造成的误差大),二是多测几次取平均值。
【类型1】实验操作【典例1】(2020·德州高一检测)如图为验证“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、带铁夹的重锤、天平。回答下列问题:
(1)为完成此实验,除了所给的器材外,还需要的器材有　　　　。(填入正确选项前的字母) A.毫米刻度尺　　　　　B.秒表C.0～12 V的直流电源D.4～6 V的交流电源
(2)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.先接通电源,后释放纸带,打出一条纸带,再更换纸带重复多次D.测量纸带上某些点间的距离E.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__________。(3)实验中误差产生的原因有_________________________(写出两个原因)。 
【解析】(1)为完成此实验,除了所给的器材外,还需要毫米刻度尺、4～6 V的交流电源。(2)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,打点计时器需要交流电源。(3)纸带与打点计时器之间有摩擦力以及空气阻力;用毫米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。答案:(1)A、D　(2)B　(3)纸带与打点计时器之间有摩擦力以及空气阻力;用毫米刻度尺测量纸带上点的位置时读数有误差;交流电源频率不稳定
【类型2】数据处理【典例2】利用气垫导轨验证机械能守恒定律。实验装置示意图如图1所示:
实验步骤:A.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。B.用游标卡尺测量挡光条的宽度l,结果如图2所示,由此读出l=　　　　mm。 
C.由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s=　　　 cm。 D.将滑块移至光电门1左侧某处,待砝码静止不动时释放滑块,要求砝码落地前挡光条已通过光电门2。E.从数字计时器(图1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。F.用天平称出滑块和挡光条的总质量M,再称出托盘和砝码的总质量m。用表示直接测量量的字母写出下列所求物理量的表达式:(1)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ΔEp=　　　　(重力加速度为g)。 (2)如果ΔEp=　　　　,则可认为验证了机械能守恒定律。 
【解析】B中挡光条的宽度l为:0.9 cm+0.05 mm×6=9.30 mm;C中两光电门中心之间的距离s=83.0 cm-23.0 cm=60.0 cm。(1)系统势能的减少量ΔEp=mgs;(2)经过两个光电门的速度分别为:v1= ;v2= ,故动能的变化量为:ΔEk= 故如果ΔEp=ΔEk= 则可认为验证了机械能守恒定律。答案　C.60.0　(1)mgs(2)
【补偿训练】1.在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中,已知打点计时器电源频率为50 Hz,重物质量m=1.00 kg,当地重力加速度g=9.80 m/s2。(1)下列实验步骤操作合理的排列顺序是　　　(填写步骤前面的字母)。 A.将打点计时器竖直安装在铁架台上B.接通电源,再松开纸带,让重物自由下落C.取下纸带,更换新纸带(或将纸带翻转)重新做实验D.将重物固定在纸带的一端,让纸带穿过打点计时器,用手提着纸带E.选择一条纸带,用刻度尺测出重物下落的高度h1、h2、h3…hn,计算出对应的瞬时速度v1、v2、v3…vnF.分别算出 和mghn,在实验误差允许的范围内看是否相等
(2)某同学按照正确的操作选得纸带如图所示,其中O点是打下的第一个点,A、B、C为从合适位置开始选取的三个连续点(其他点未画出),该同学用毫米刻度尺测量O点到A、B、C各点的距离,并记录在图中(单位cm)。
①这三组数据中不符合读数要求的是　　　　; ②根据图上所得的数据,应取图中O点到　　　　点来验证机械能守恒定律; ③从O点到②问中所取的点,重物重力势能的减少量ΔEp=　　　J,动能的增加量ΔEk=　　　 J(结果保留三位有效数字)。 
【解析】(1)实验步骤操作合理的排列顺序是ADBCEF;(2)①这三组数据中不符合读数要求的是15.7,有效数字的个数不对;②根据图上所得的数据,因B点的速度能够求得,故应取图中O点到B点来验证机械能守恒定律;③从O点到②问中所取的点,重物重力势能的减少量ΔEp=mghB=1.00×9.8×0.124 2 J=1.22 J,B点的速度:vB= =1.55 m/s;动能的增加量ΔEk= = ×1×1.552 J=1.20 J答案:(1)ADBCEF　(2)①15.7　②B　③1.22　1.20
2.在“验证机械能守恒定律”实验中,实验装置如图甲所示。
(1)该实验中使用电火花计时器,它的工作电压是　　　　(选填“交流220 V”“交流6 V以下”或“直流6 V以下”);纸带下端所挂重物应选图乙中的　　　(填所选重物的字母)重物比较合适。 (2)按照正确的操作得到如图丙所示的纸带。其中打O点时释放重物,A、B、C是打点计时器连续打下的三个点,该同学用毫米刻度尺测量O点到A、B、C各点的距离,并记录在图丙中(单位cm)。已知打点计时器打点时间间隔为0.02 s,重物质量为0.5 kg,当地重力加速度g取9.80 m/s2。
①这三个数据中不符合有效数字读数要求的是　　　　。 ②现选取重物在OB段的运动进行数据处理,则打B点时重物的速度为　　　m/s,OB段动能增加量为　　　　J,重力势能减少量为　　　J。(计算结果均保留三位有效数字) ③即使在操作规范,数据测量及数据处理很准确的前提下,该实验测得的ΔEp也一定略大于ΔEk,这是实验存在系统误差的必然结果,试分析该系统误差产生的主要原因:　。 
【解析】(1)电火花计时器的工作电压是交流220 V;纸带下端所挂重物应选图乙中的质量较大的C比较合适。(2)①这三个数据中不符合有效数字读数要求的是12.8,缺少有效数字;②打B点时重物的速度为vB= =1.57 m/s;OB段动能增加量为ΔEk= ×0.5×1.572 J=0.616 J;重力势能减少量为ΔEp=mgh=0.5×9.8×0.128 J=0.627 J;③原因是重物在下落时要受到阻力作用(纸带的摩擦力、空气阻力)。答案:(1)交流220 V　C　(2)①12.8　②1.57　0.616　0.627　③重物在下落时要受到阻力作用(纸带的摩擦力、空气阻力)
1.(多选)在“验证机械能守恒定律”的实验中,下列说法中正确的是 (　　)A.要用天平称量重物质量B.选用重物时,同样大小、形状的重物应选重一点的比较好C.要选用第1、2两点距离接近2 mm的纸带D.实验时,当松开纸带让重物下落的同时,立即接通电源【解析】选B、C。该实验不需要测重物的质量,A错误;为了减小由于空气阻力带来的实验误差,应选用密度较大的重物,B正确;为使打第1个点时的速度为零,实验时应先接通电源,让打点计时器打点后再释放重物,选取第1、2点间的距离约为2 mm的纸带,C正确,D错误。
2.在做“验证机械能守恒定律”的实验时,发现重物减少的重力势能总是略大于重物增加的动能,造成这种现象的原因是(　　)A.选用的重物质量过大B.选用的重物质量过小C.空气对重物的阻力和打点计时器对纸带的阻力D.实验时操作不规范,实验数据测量不准确【解析】选C。造成题中所述误差的主要原因是来自各方面的阻力,选项C正确。
3.在“验证机械能守恒定律”实验中,要验证的是重物重力势能的减少等于它动能的增加,以下步骤仅是实验中的一部分,在这些步骤中多余的或错误的是 (　　)A.用天平称出重物的质量B.把打点计时器固定到铁架台上,并用导线把它和低压交流电源连接起来C.把纸带的一端固定到重物上,另一端穿过打点计时器的限位孔,把重物提升到一定高度D.接通电源,待打点稳定后释放纸带
【解析】选A。在“验证机械能守恒定律”实验中,需验证重力势能减少量mgh和动能增加量 mv2之间的大小关系,若机械能守恒,则有mgh= mv2成立,两边都有质量,可约去,即验证gh= v2成立即可,故无需测质量,A步骤多余。
4.利用图示装置进行验证机械能守恒定律的实验时,需要测量重物由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h。某班同学利用实验得到的纸带,设计了以下四种测量方案,其中正确的是(　　)
A.用刻度尺测出重物下落的高度h,并测出下落时间t,通过v=gt计算出瞬时速度vB.用刻度尺测出重物下落的高度h,并通过v= 计算出瞬时速度vC.根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度,等于这点前后相邻两点间的平均速度,测算出瞬时速度v,并通过h= 计算出高度hD.用刻度尺测出重物下落的高度h,根据做匀变速直线运动时纸带上某点的瞬时速度,等于这点前后相邻两点间的平均速度,测算出瞬时速度v
【解析】选D。重物下落过程中,由于纸带与打点计时器的阻碍作用,其加速度要小于重力加速度g,故不可用A、B、C方案中的公式来求解。
5.用“落体法”验证机械能守恒定律的实验中得到如图所示纸带。根据纸带算出相关各点的速度v,测量出下落距离h,则以 为纵轴,以h为横轴画出的图像应是(　　)
【解析】选C。由机械能守恒定律得:mgh= mv2,得: =gh,可以看出 与h成正比例关系,图线是过原点的直线,C正确。
6.某次“验证机械能守恒定律”的实验中,用6 V、50 Hz的打点计时器打出的一条无漏点的纸带如图所示,O点为重锤下落的起点,选取的计数点为A、B、C、D,各计数点到O点的长度已在图上标出,单位为毫米,重力加速度取9.8 m/s2,已知重锤质量为1 kg。
(1)打点计时器打出B点时,重锤下落的速度vB=　　　　 m/s,重锤的动能EkB=　　　　J。 (2)从开始下落算起,打点计时器打B点时,重锤的重力势能减小量为　　　　 J。 (3)根据纸带提供的数据,在误差允许的范围内,重锤从静止开始到打出B点的过程中,得到的结论是 　。 
【解析】(1)重锤下落的速度 =1.17 m/s重锤在打出B点时的动能EkB= ×1×1.172 J=0.68 J。