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多媒体教学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多媒体教学ppt课件，共55页。PPT课件主要包含了－ΔEp＝ΔEk，空气阻力，巩固基础，平衡摩擦力，提升能力，83ms2，挡光片或遮，遮光板，光电门，再上台阶等内容，欢迎下载使用。
1．实验目的：(1)探究功与物体速度变化的关系．(2)感悟实验方案的设计和实验数据的处理方法．2．实验的方法：如图所示，依次用1根、2根、3根……同样的橡皮筋与物体相连接，并且每次将橡皮筋拉伸相同的长度，这样操作，无须计算就可知道橡皮筋对物体所做的功依次为W、2W、3W……
一、实验：探究功与速度变化的关系
而每次橡皮筋对物体做功后的速度，可用打点计时器测出．3．实验器材：本实验需要的器材有：打点计时器(含纸带、学生电源、复写纸、连接导线)、同种橡皮条(10根)、小车、长木板、钉子、刻度尺．4．实验步骤：(1)按图连接好器材．橡皮筋的一端套在小车上，另一端套在钉子上，第一次用两根橡皮筋．将长木板倾斜一个角度，使重力沿斜面向下的分力平衡小车受到的摩擦力．
(2)将小车拉到靠近打点计时器的位置(在橡皮筋弹性限度内)，并标记下此位置；接通电源后松手．(3)换上纸带，并在纸带上做好标记，每次加接两根橡皮筋，然后将小车拉到同一位置，接通电源后松手．依次再做四次．(4)根据纸带求橡皮筋对小车做功后的速度．在每条纸带上找出点间间距相等的那部分，它记录的是小车做匀速运动的情况，如图所示的计数点B、E、C部分．用刻度尺量出计数点B、C之间的距离d，设相邻两计数点间的时间间隔为T，那么，橡皮筋对小车做功后的速度：vi＝ .
5．实验结论：Wi∝v.6．实验中应注意事项(1)平衡摩擦力：实验中的小车不可避免地要受到摩擦力的作用，为了保证橡皮筋对物体的功就是合外力的功，必须设法排除摩擦力的影响．可采用将木板一端垫高的方法来实现．将木板一端垫高，让自由小车(不系橡皮筋时)能在木板上匀速运动，使重力沿斜面方向的分力与摩擦力相平衡，就消除了摩擦力的影响．
(2)每次实验所用的每条橡皮筋，其长度、材料和粗细都应是相同的，并且橡皮筋拉伸的长度都保持一致．(3)打点计时器打出的纸带上相邻各点的间距并不均匀，应选点间间距相等的一段纸带来计算小车的速度，因这一小段是橡皮筋对小车做功完毕时的情形．二、实验：验证机械能守恒定律1．实验目的：验证物体做自由落体运动时机械能守恒．巩固由纸带求瞬时速度的方法，体验误差分析．
2．实验原理：自由下落的物体只有重力做功，若减小的势能等于增加的动能，即： ，则物体机械能守恒．3．实验的方法：让连着纸带的重物由静止自由下落，重物下落的高度h，和下落高度h时重物的速度v，可根据纸带得出．看 是否成立
4．实验器材：铁架台，重锤，打点计时器，低压交流电源，电键，刻度尺，复写纸，纸带，导线．
5．实验步骤：(1)按装置图安装好器材，注意打点计时器板面竖直，保证两个限位孔中心在同一竖直线上，并用导线将计时器接到低压交流电源上．
(2)将长约1米的纸带一端用小夹子固定在重物上后，另一端(上端)穿过打点计时器限位孔，用手提着纸带，使重物静止并靠近计时器的下方．(3)接通电源，让重物带动纸带自由下落，计时器在纸带上打下一系列的点． (4)换几次纸带，重复上述(2)、(3)步骤．
7．实验中应注意事项(1)因为不需要知道物体在某点动能和势能的具体数值，所以不必测量物体的质量m，而只需验证 vn2＝ghn就行了．(2)打点计时器要竖直架稳，使板面在同一竖直平面内，其两限位孔中心要在同一竖直线上，以尽量减少纸带与打点计时器间的摩擦阻力作用．(3)实验时，必须先接通电源，让打点计时器正常工作后才能松开纸带让重物下落．(4)测量下落高度时，都必须从起始点算起，不能弄错．为了减小测量h值的相对误差，选取的各个计数点要离起始点适当远些．
(5)由于实验中不可避免地存在纸带与限位孔、振针间的摩擦及空气阻力作用，因此减小的重力势能值ΔEp要大于增加的动能值ΔEk.(6)在选择已打点纸带时，要选择点迹清晰、第1、2两个计数点间距离接近2 mm的．
题型一：对“探究功与速度变化的关系”的考查
例1 某学习小组做探究“合力的功和物体速度变化关系” 的实验如图，图中小车是在一条橡皮筋作用下弹出，沿木板滑行，这时，橡皮筋对小车做的功记为W. 当用2条、3条……，完全相同的橡皮筋并在一起进行第2次、第3次……实验时，使每次实验中橡皮筋伸长的长度都保持一致．每次实验中小车获得的速度由打点计时器所打的纸带测出．
(1)除了图中已有的实验器材外，还需要导线、开关、刻度尺和______电源(填“交流”或“直流”)．(2)实验中小车会受到摩擦阻力的作用，可以使木板适当倾斜来平衡掉摩擦阻力，则下面操作正确的是(　　)A．放开小车，能够自由下滑即可B．放开小车，能够匀速下滑即可C．放开拖着纸带的小车，能够自由下滑即可D．放开拖着纸带的小车，能够匀速下滑即可
(3)若木板水平放置，小车在两条橡皮筋作用下运动，当小车速度最大时，关于橡皮筋所处的状态与小车所在的位置，下列说法正确的是(　　)A．橡皮筋处于原长状态B．橡皮筋仍处于伸长状态C．小车在两个铁钉的连线处D．小车已过两个铁钉的连线(4)在正确操作情况下，打在纸带上的点，并不都是均匀的，为了测量小车获得的速度，应选用纸带的________部分进行测量(根据下面所示的纸带回答)．
(5)某同学实验操作正确，数据记录较真实，他根据实验中的数据，画出W－v的图象，应为下图中的哪一个(　　)
【解析】(1)电磁打点计时器要求使用低压交流电源．电火花打点计时器要求使用220 V交流电源．(2)平衡摩擦力的目的之一是使是橡皮筋恢复原长后小车能匀速运动，进而测出小车在弹力作用下获得的速度，这就要求小车在拖着纸带的情况个能够匀速下滑，选D.(3)当板水平放置时，小车运动中所受摩擦力与橡皮筋的弹力平衡时，加速度为零，速度达到最大，此时橡皮筋应仍处于伸长状态，小车的位置不到两铁钉的连线处，选B.(4)在橡皮筋的弹力消失后，小车匀速运动．其速度就是小车在橡皮筋的弹力消失时的速度．由图可知，应选取GJ中的一段．(5)通过实验可知，做的功W与小车速度v2成正比，故与v应是二次函数关系，故B正确．
【答案】(1)交流　(2)D　(3)B　(4)GJ　(5)B
【方法与知识感悟】对实验“探究功与速度变化的关系”的考查，着重在以下几方面：(1)对实验原理中如何确定合力的功的理解，①平衡摩擦力，保证橡皮筋对小车做的功即为合力的功．②通过更换橡皮筋的条数实现合力的功的成倍变化，这势必要求每次实验时，橡皮筋的形变量相同，及小车从同一位置释放．
(2)对小车的运动状态的分析和获得的速度的理解：小车获得的速度应为橡皮筋恢复原长，对小车做功完毕后的速度，即小车匀速运动时的速度，利用纸带上的点间距均匀部分来计算小车获得的速度．(3)对图像法处理数据的考查．
例2 某同学为探究“恒力做功与物体动能改变的关系”，设计了如下实验，他的操作步骤如下．①连接好实验装置如图所示．②将质量为200 g的小车拉到打点计时器附近，并按住小车．
③在质量为10 g、30 g、50 g的三种钩码中，他挑选了一个质量为50 g的钩码挂在拉线的挂钩P上．④释放小车，打开打点计时器的电源，打出一条纸带．(1)在多次重复实验得到的纸带中取出自认为满意的一条．经测量、计算，得到如下数据：①第一个点到第N个点的距离为40.0 cm.②打下第N点时小车的速度大小为1.00 m/s.该同学将钩码的重力当作小车所受的拉力，拉力对小车做的功为____________J，小车动能的增量为______J.
(2)此次实验探究结果，他没能得到“恒力对物体做的功等于物体动能的增量”，且误差很大，显然，在实验探究过程中忽视了各种产生误差的因素．请你根据该同学的实验装置和操作过程帮助分析一下，造成较大误差的主要原因有：____________________________________________________________________________________
【答案】(1)0.196　0.100　(2)见解析
【方法与知识感悟】对于实验“探究功和速度变化的关系”的实验变式，主要在以下两方面：(1)对做功的测定变式：可利用“验证牛顿第二定律”的实验装置，若要认为小车受的合力大小为钩码重力大小，应满足两个条件①平衡摩擦力②小车的质量远大于钩码的质量；也可用拉力传感器直接测定拉力大小．(2)对小车获得的速度的测定变式：测速度还可用光电门、速度传感器、平抛测速等．
例3 在用自由落体运动验证机械能守恒定律时，某同学按照正确的操作选得纸带如图所示，其中O点是起始点，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，并记录在图中(单位cm)．已知打点计时器电源频率为50Hz，重物质量为m，当地重力加速度g＝9.80 m/s2.
题型二：对“验证机械能守恒定律”实验的考查
(1)这三组数据中不符合有效数字读数要求的是____________．(2)该同学用重物在OB段的运动来验证机械能守恒定律，先计算出该段重物重力势能的减小量为____________，接着从打点计时器打下的第一个点O数起，数到图中B点是打点计时器打下的第9个点，他用vB＝gt计算跟B点对应的重物的瞬时速度，得到动能的增加量为____________(均保留三位有效数字)．这样他发现重力势能的减小量______________(填“大于”或“小于”)动能的增加量，造成这一错误的原因是________________．
2．误差分析(1) 实际上重物和纸带下落过程中要克服阻力(主要是打点计时器的阻力)做功，故动能的增加量必定稍小于势能的减少量，这是属于系统误差，减少空气阻力影响产生的方法是：使纸带下挂的重物重力大些，且体积要小．(2) 打点计时器产生的误差①由于交流电周期的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差．②计数点选择不好、振动片振动不均匀、纸带放置方法不正确引起摩擦，造成实验误差．
③打点时的阻力对纸带的运动性质有影响，这也属于系统误差．(3) 由于测长度带来的误差属偶然误差，减少办法一是测距离时都应从O点量起，二是多测几次取平均值．3．实验改进物体下落过程中通过某一位置的速度可以用光电计时器测出来，利用这种装置验证机械能守恒定律，能消除纸带与限位孔的摩擦阻力带来的系统误差．
*1．在用如图所示装置做“探究动能定理”的实验时，下列说法正确的是( ) A．通过改变橡皮筋的条数改变拉力做功的数值B．通过改变橡皮筋的长度改变拉力做功的数值C．通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的最大速度D．通过打点计时器打下的纸带来测定小车加速过程中获得的平均速度
【解析】实验通过增加橡皮筋的条数，使橡皮筋对小车做的功成倍增加，故A正确，B错误．小车的速度对应的是橡皮筋对小车做功完毕时的情形，故C正确，D错误．
2．用自由落体法进行“验证机械能守恒定律”的实验．①实验完毕后选出一条纸带如图所示，其中O点为电磁打点计时器打下的第一个点，A、B、C为三个计数点，打点计时器通以50Hz的交流电．用刻度尺测得OA＝12.41 cm，OB＝18.60 cm，OC＝27.21 cm，在计数点A和B、B和C之间还各有一个点，重物的质量为1.00 kg，取g＝9.80 m/s2.甲同学根据以上数据算出：当打点计时器打到B点时重物的重力势能比开始下落时减少了 J；此时重物的动能比开始下落时增加了 J．(结果均保留三位有效数字)．实验中产生系统误差的原因是 ．
纸带通过打点计时器受摩擦
先释放重物，再接通计时器电源
(1)滑块的速度v1、v2如何求出？滑块通过G1时的高度h如何求出？(2)若测得图中L＝1 m，x＝0.5 m，H＝20 cm，m＝500 g，滑块通过G1和G2的时间分别为5.0×10－2 s和2.0×10－2s，当地重力加速度g＝9.80 m/s2，试判断机械能是否守恒．
1．某实验小组利用拉力传感器和打点计时器探究“动能定理”，如图所示，他们将拉力传感器固定在小车上，用不可伸长的细线将其通过一个定滑轮与钩码相连，用拉力传感器记录小车受到拉力的大小，在小车的后面连接纸带，通过打点计时器记录小车的运动情况，小车中可以放置砝码．请把下面的实验步骤补充完整．
实验主要步骤如下：①测量 、砝码和拉力传感器的总质量M，把细线的一端固定在拉力传感器上，另一端通过定滑轮与钩码相连，将纸带连接小车并通过打点计时器，正确连接所需电路．②将小车停在C点，在释放小车 (选填“之前”或“之后”)接通打点计时器的电源，在纸带上打出一系列的点，记录细线拉力．
③在小车中增加砝码，或减少砝码，重复②的操作．④处理数据．实验结果发现小车动能的增加量ΔEk总是明显小于拉力F做的功W，你认为其主要原因应该是上述实验步骤中缺少的步骤是 ．
*2.用落体法验证机械能守恒定律，下列关于实验误差的说法中，正确的是( )A．重物的质量称量不准，会造成较大误差B．重物的质量选用大些，有利于减小误差C．重物的质量选用小些，有利于减小误差D．释放纸带与接通电源开始打点不同步会造成较大误差
【解析】本实验中不需要知道重物的质量，选项A错误；本实验中空气阻力以及装置对纸带的阻力都会带来误差，故重物的质量大些可以减小相对误差，选项B正确、C错误；实验中要求先接通电源再释放纸带，选项D正确．
4．“验证机械能守恒定律”的实验可以采用如图所示的甲或乙方案来进行．自由落体实验　　　　　斜面小车实验验证机械能守恒定律　 验证机械能守恒定律
(1)比较这两种方案， (选填“甲”或“乙”)方案好些，理由是 ．(2)如下图是该实验中得到的一条纸带，测得每两个计数点间的距离如图中所示，已知每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＝ ；该纸带是采用 (选填“甲”或“乙”)实验方案得到的，简要写出判断依据 ．
该方案摩擦阻力小，误差小，操作
因为物体的加速度比g小
5．某同学用如图所示的实验装置探究小车动能变化与合外力对它所做功的关系．图中A为小车，连接在小车后面的纸带穿过打点计时器B的限位孔，它们均置于水平放置的一端带有定滑轮的足够长的木板上，C为弹簧测力计，不计绳的质量和绳与滑轮的摩擦．实验时，先接通电源再松开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点．
该同学在一条比较理想的纸带上，从点迹清楚的某点开始记为O点，顺次选取5个点，分别测量这5个点到O之间的距离，并计算出它们与O点之间的速度平方差Δv2(Δv2＝v2－v)，填入下表：
请以Δv2为纵坐标，以s为横坐标在方格纸中作出Δv2—s图象．若测出小车A质量为0.2 kg，结合图象可求得小车所受合外力的大小为F＝ N.
6．DIS实验是利用现代信息技术进行的实验．学生实验“用DIS研究机械能守恒定律”的装置如图(a)所示，某组同学在一次实验中，选择DIS以图象方式显示实验的结果，所显示的图象如图(b)所示．图象的横轴表示小球距D点的高度h，纵轴表示摆球的重力势能Ep、动能Ek或机械能E.试回答下列问题：
(1)图(b)的图象中，表示小球的重力势能Ep、动能Ek、机械能E随小球距D点的高度h变化关系的图线分别是 (按顺序填写相应图线所对应的文字)．(2)图(a)所示的实验装置中，小球起到 的作用，传感器K的名称是 ．(3)根据图(b)所示的实验图象，可以得出的结论是
传感器(或光电门、光电传感器)
在误差允许的范围内，在只有重力做功的情况下，小球的机械能守恒
【解析】(1)重力势能随小球距D点高度的增加而增大，动能随小球距D点高度的增加而减小，而机械能不变，故乙表示重力势能Ep，丙表示动能Ek，甲表示机械能E.(2)图(a)所示的装置中，小球起到挡光片的作用，而传感器K的名称是光电传感器．(3)由图线(b)所示的图象可以看出，小球在动能和重力势能相互转化过程中，机械能是守恒的．
7. 用如图实验装置验证m1 、m2组成的系统机械能守恒．m2从高处由静止开始下落，m1上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律．下图给出的是实验中获取的一条纸带：0是打下的第一个点，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，计数点间的距离如图所示．已知m1＝50 g、m2＝150 g，则(g取10 m/s2，结果保留两位有效数字)①在纸带上打下计数点5时的速度v＝ m/s；
在误差允许的范围内，m1、m2组成的系