高中物理6 实验:验证机械能守恒定律优质课件ppt

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6　实验：验证机械能守恒定律
1.明确验证机械能守恒定律的基本思路并能进行相关量的测量(重点)。2.能正确进行实验操作，分析实验数据得出结论，能定性地分析产生误差的原因(重难点)。3.通过误差分析，对实验进行改进(重难点)。
一、实验原理让重物自由下落，忽略______________________________________情况下重物的机械能守恒。
重物受到的空气阻力和纸带受到的摩擦力
二、实验装置铁架台(带铁夹)、电火花打点计时器、重物(带夹子)、纸带、_______、__________、墨粉纸盘。
三、实验操作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，选定两个计数点，测量并计算出它们之间的距离Δh及重物在各点的速度，记录在表格中。
2.机械能守恒定律的验证(1)任取两点A、B。
(2)图像法(如图所示)。若在实验误差允许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。五、误差分析本实验的误差主要是由纸带测量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。
六、实验注意事项1.打点计时器安装要稳固，并使两限位孔的中线在同一______线上，以减小摩擦阻力。2.应选用质量和密度较____的重物，______重力可使阻力的影响相对减小，______密度可以减小体积，可使空气阻力的影响相对减小。3.实验时，应先_________，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________(填“需要”或“不需要”)测重物的质量m。
一、实验步骤和数据处理
　 (2023·乐山市校考期中)在“验证机械能守恒定律”的实验中：(1)除打点计时器(含纸带、复写纸)、重物、铁架台、导线及开关外，在下面的器材中，必须使用的还有_____。(选填器材前的字母)A.天平　　　B.刻度尺　　　C.直流电源　　　D.交流电源　E.秒表　　　F.弹簧测力计
所以在实验中需要刻度尺测量重物下降的高度，以及通过纸带上两点的距离，求出平均速度，从而可知瞬时速度；同时本实验需要用到打点计时器，打点计时器的工作电源是交流电源；而纸带上相邻两计时点的时间间隔已知，所以不需要秒表。故选B、D。
(2)下列释放纸带的操作正确的是____。
释放纸带时，应用手拉住纸带的末端且纸带处于竖直方向上，重物应适当靠近打点计时器。故选A。
(3)本实验中需要间接测量的物理量有______。A.重物下落的时间B.重物下落的高度C.重物下落的瞬时速度
本实验中直接用刻度尺测量重物下落的高度；但瞬时速度不是直接测量的，而是通过测量纸带上两点的距离，求出平均速度，从而求得瞬时速度。故选C。
(4)实验中，先接通电源，再释放重物，得到如图所示的一条纸带。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h1、h2、h3。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量为_______，重物的动能变化量为____________。
从打O点到打B点的过程中，重物的重力势能减少量为ΔEp＝mgh2，则重力势能变化量为－mgh2
　(2023·树德中学高一期中)用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。已知打点计时器打点频率f＝50 Hz。
(1)实验中得到的一条纸带如图乙所示，打下的第一个点标记为O，选择点迹清晰且便于测量的连续5个点，标为A、B、C、D、E，测出A、C、
E到O点的距离分别为d1＝7.94 cm，d2＝13.60 cm，d3＝20.74 cm。重物质量为1.0 kg，当地重力加速度g＝9.80 m/s2。现选取重物在OC段的运动进行数据处理，则OC段重力势能减少量为_____ J，动能增加量为____ J(计算结果均保留3位有效数字)。导致上述两者不相等的原因是_________。
OC段重力势能减少量ΔEp＝mgd2＝1.33 JC点对应的速度大小为
重力势能减少量略大于动能增加量是因为阻力的影响。
(2)下列关于该实验说法不正确的是_____。A.选取质量和密度较大的重物有利于减小实验误差B.做实验时，先释放重物，再接通打点计时器的电源
选取质量和密度较大的重物有利于减小阻力的影响，故而减小实验误差，故A不符合题意；
(3)本实验可以用图像法来处理数据：测出纸带上若干个点对应的瞬时速度v和下落高度h，以 为纵轴、h为横轴画出的图像应是下图的_____(填选项字母)。
　(2023·眉山市仁寿一中开学考)小华用如图甲所示的装置“验证机械能守恒定律”。已知重物A(含挡光片)、B的质量分别为mA和mB(mB＞mA)，重力加速度为g。实验操作步骤为：①按图甲装配好定滑轮和光电门；②A、B用绳连接后跨放在定滑轮上，用手托住B；③测量挡光片中心到光电门中心的竖直距离h；④先接通光电门的电源，后释放B；⑤记录挡光片经过光电门的时间Δt。(1)根据实验，小华同学还需要测量的物理量是：________________。
还需要测量挡光片的宽度d，用来求解挡光片通过光电门的速度。
(2)挡光片通过光电门时的速度为____(用题中的物理量和所测量的物理量表示)。
(3)如果系统的机械能守恒，应满足的关系式为___________________________(用题中的物理量和所测量的物理量表示)。
如果系统的机械能守恒，有
(4)小华反复改变挡光片中心到光电门中心的竖直距离h，记录挡光片通过光电门时间Δt，作出图像如图乙所示，测得图线的斜率为k，则 ＝______。
　(2023·重庆市西南大学附中高一校考)小尚同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。不可伸长的细绳一端连接小球，另一端连接力传感器。由水平位置的A点静止释放小球后，向左摆动的过程中，重力加速度g＝10 m/s2，力传感器记录了细绳上的拉力大小F随时间t的变化如图乙所示。(1)小尚测得小球质量m及传感器示数的最大值Fm，只需要检验表达式__________成立，即可证明小球从A点释放到最低点的过程中机械能守恒(用字母m、Fm及重力加速度g表示)；
设绳长为L，小球在最低点速度为v，从A点释放到最低点的过程中机械能守恒，则有
小球在最低点，由牛顿第二定律可得
(2)从图乙中读出传感器示数的最大值为_____ N(保留两位有效数字)，若测得小球质量m＝260 g，则此实验的误差来源可能是____________。
从题图乙中读出传感器示数的最大值为7.1 N，小球的质量为260 g，最大拉力小于3mg，可能是实验中有空气阻力的原因。
1.(2023·凉山高一期末)某学习小组利用如图甲所示装置做“验证机械能守恒定律”的实验，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，重力加速度g取9.8 m/s2(计算结果保留3位有效数字)。
(1)设重物质量为m(kg)，重物在第2个点的速度v2＝______m/s，在第5个点的速度v5＝______m/s，从第2到第5点过程中动能增加量ΔEk＝______J，重力势能减少量ΔEp＝______J。由以上可得出实验结论：__________________________________。
利用匀变速直线运动的推论得
重力势能减少量ΔEp＝mgh＝m×9.8×10.8×10－2(J)≈1.06m(J)故结论为：在误差允许的范围内，机械能守恒。
(2)该重物增加的动能往往_____(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_________________。
由于纸带受到阻力作用，所以增加的动能往往小于减少的重力势能。
(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)。
根据机械能守恒得ΔEk＝mgΔh则ΔEk－Δh图线为过原点的直线。故选C。
2.(2023·攀枝花市高一统考)如图所示，将打点计时器固定在铁架台上，用重物带动纸带从静止开始自由下落，当地重力加速度为g，利用此装置可验证机械能守恒定律。
(1)实验中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。某同学对实验得到的纸带，设计了以下四种测量方案。这些方案中合理的是____。A.用刻度尺测出物体下落的高度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vB.用刻度尺测出物体下落的高度h，并通过v＝ 计算出瞬时速度vC.用刻度尺测出物体下落的高度h，由打点间隔算出下落时间t，通 过v＝gt计算出瞬时速度vD.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＝ 计算得 出高度h
(2)安装好实验装置，正确进行实验操作，从打出的纸带中选出符合要求的纸带，如图所示。图中O点为打点起始点，且速度为零。选取纸带上打出的连续点A、B、C、…作为计数点，测出其中E、F、G点距起始点O的距离分别为h1、h2、h3，已知重物质量为m，计时器打点周期为T。为了验证此实验过程中机械能是否守恒，需要计算出从O点到F点的过程中，重物重力势能的减少量ΔEp＝_____，动能的增加量ΔEk＝_________(用题中所给字母表示)。
由题图可知，从O点到F点的过程中，重物下降的高度为h2，重物重力势能的减少量为ΔEp＝mgh2
(3)实验结果往往是重力势能的减少量略大于动能的增加量，关于这个误差，下列说法正确的是______。A.该误差属于偶然误差B.该误差属于系统误差C.可以通过多次测量取平均值的方法来减小该误差D.可以通过减小空气阻力和摩擦阻力的影响来减小该误差
该误差属于系统误差，故A错误，B正确；系统误差无法通过多次测量取平均值的方法来减小，故C错误；可以通过减小空气阻力和摩擦阻力的影响来减小该系统误差，故D正确。
(4)某同学在实验中发现重物增加的动能略小于重物减少的重力势能，于是深入研究阻力f对本实验的影响。他测出各计数点到起始点的距离h，并计算出各计数点的速度v，用实验测得的数据绘制出v2－h图线，图像是一条倾斜直线，此直线斜率的物理含义是_________(用数学表达式书写，可能用到的物理量为m、g、f)。
3.(2023·河北高一期中)实验小组用如图所示装置做“验证机械能守恒定律”实验，框架上装有两个光电门，光电门1可上下移动、光电门2固定；框架的竖直部分贴有长度有限的刻度尺，零刻度线在上端，可直接读出光电门1、2到零刻度线的距离x1、x2；框架水平部分安装了电磁铁，将质量为m的小铁球吸住，小铁球刚好处于零刻度线位置。一断电，小铁球就由静止释放，先后经过两个光电门时，与光电门连接的传感器即可测出其通过两个光电门的时间分别为t1和t2。多次改变光电门1的位置，得到多组数据。已知当地重力加速度为g。
(1)已知小铁球的直径为d，当小铁球经过光电门时光电门记录下小铁球经过光电门的时间为t，则小铁球通过光电门的速度为v＝_____。
(2)若选择刻度尺的0刻度所在高度为零势能面，则小铁球经过光电门1时的机械能表达式为_____________(用x1、x2、m、v1、v2、d和g表示)。
小铁球经过光电门1时的机械能为该位置的动能与重力势能之和，为
(3)建立以 为纵轴、x2－x1为横轴的坐标系并描点连线，得出图线，如果图线为过原点的倾斜直线且斜率约为_____(用d和g表示)，则可认为在误差允许范围内小铁球的机械能守恒。
4.(2022·九江市高一期末)小胡、小黄和小丁三位同学打算利用气垫导轨验证机械能守恒定律，如图甲是他们所用的实验装置示意图。已知光电计时器可以测出滑块的挡光片通过各光电门所用的时间，回答下列问题：(1)小胡同学测出挡光片的宽度d，记录下挡光片先后通过光电门1和2所用的时间分别为t1和t2，并用刻度尺和重垂线测得光电门1和2的竖直高度差为h，已知重力加速度为g，则可以验证滑块沿气垫导轨下滑过程机械能守恒的表达式为_______________。
(2)小黄同学认为要想实验结果更理想，可以采取以下措施，这些措施中不必要的是_____。A.挡光片的宽度d适当小些B.光电门1和2的竖直高度差h适当大些C.滑块由静止释放的位置离光电门1适当远些D.每次实验滑块都要从同一位置由静止释放
滑块过光电门的速度是用挡光片通过光电门的平均速度替代，则挡光片的宽度要适当小些，以减小速度测量的误差，有必要，A不符合题意；光电门1和2的竖直高度差h适当大些，减小测量h的误差，有必要，B不符合题意；滑块由静止释放的位置离光电门1适当远些，如果太近则通过光电门的速度会太小，速度测量的误差就会增大，有必要，C不符合题意；每次实验滑块都要从同一位置由静止释放，没必要，D符合题意。
(3)小丁同学还想利用该实验数据得到当地的重力加速度g，但恰好光电门1坏了。他在实验中保持光电门1的位置不变，并使每次实验滑块都从同一位置由静止释放，改变h的大小(光电门2始终位于光电门1水平线以下)，记录挡光片通过光电门2的时间t，并作出 －h图像，如图乙所示。可知滑块每次通过光电门1所用时间为_____；当地的重力加速度g＝____(用图中a、b和题中d表示)。
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＝9.30 mm。③由导轨标尺读出两光电门中心间的距离s＝______ cm。
s＝80.30 cm－20.30 cm＝60.00 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。
(2)用表示直接测量量的字母写出下列物理量的表达式。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＝_______________。
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减＝_______(重力加速度为g)。
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减＝mgs。
(3)如果在实验误差允许的范围内，ΔEp减＝___________________________，则可认为验证了机械能守恒定律。
6.(2022·西安市高一期末)为了验证小球在竖直平面内摆动过程的机械能是否守恒，利用如图(a)装置，不可伸长的轻绳一端系住一小球，另一端连接力传感器，小球质量为m，球心到悬挂点的距离为L，小球释放的位置到最低点的高度差为h，实验记录轻绳拉力大小随时间的变化如图(b)，其中Fm是实验中测得的最大拉力值，重力加速度为g，请回答以下问题：(1)小球第一次运动至最低点的过程，重力势能的减少量ΔEp减＝______，动能的增加量ΔEk＝____________。(均用题中所给字母表示)
小球第一次摆动至最低点的过程，重心下降了h，则重力势能的减少量为ΔEp减＝mgh小球第一次摆动至最低点的过程，初速度为零，最低点速度为vm，由牛顿第二定律有
(2)观察图(b)中拉力峰值随时间变化规律，试分析造成这一结果的主要原因：_____________________________。
空气阻力做负功，机械能有损失
根据F－t图像可知小球做周期性的摆动每次经过最低点时拉力最大，而最大拉力逐渐变小，说明经过最低点的速度逐渐变小，其主要原因是空气阻力做负功，导致机械能有损失；