人教版 (2019)必修 第二册5 实验：验证机械能守恒定律背景图课件ppt

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实验思路1.前提条件: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。2.研究对象举例。(1)自由下落的物体只受到重力作用,满足机械能守恒的条件。(2)物体沿光滑斜面下滑的过程,满足机械能守恒的条件。(3)用细线悬挂的小球摆动时,如果忽略空气阻力,满足机械能守恒的条件。
物理量的测量需要测量物体的质量、物体所处位置的高度以及物体的运动速度这三个物理量。实验时,其实可以不测量物体的质量。实验目的1.会用打点计时器打下的纸带计算物体的运动速度和位移。2.掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。
实验器材铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、低压交变电源(约8 V)、重物、毫米刻度尺、纸带(带夹子)、复写纸片、导线。
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1、2两点间的距离约为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……
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各计数点对应的机械能依次略有减小的现象。3.由于交变电流的周期不稳定,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相对减小,增大密度可以减小体积,使空气阻力减小。2.应先接通电源,让打点计时器正常工作,后松开纸带让重物下落。
热点1 实验原理与操作
典例剖析【例1】 在验证机械能守恒定律的实验中,下面列出一些实验步骤:A.用天平称出重物和夹子的质量B.把重物系在夹子上C.将纸带穿过计时器,上端用手提着,下端夹上系住重物的夹子,再把纸带向上拉,让夹子靠近打点计时器静止D.把打点计时器接在学生电源的交流输出端,把输出电压调至8 V(电源不接通)
E.把打点计时器固定在桌边的铁架台上,使两个限位孔在同一竖直线上F.在纸带上选取几个点,进行测量和记录数据G.用停表测出重物下落时间H.接通电源,待计时器响声稳定后释放纸带I.切断电源J.更换纸带,重新进行两次K.在三条纸带中选出较好的一条L.进行计算,得出结论,完成报告M.拆下导线,整理器材
以上步骤中,不必要的有　　　　,正确步骤的合理顺序是　　　　　　　　(填写字母)。 答案:AG　EDBCHIJMKFL解析:只为了验证机械能守恒,没必要称量重物的质量。打点计时器本身就是计时仪器,不需要停表。特别提醒 1.本实验不需要测出重物的质量,除非题目中需要求出动能和势能的具体数值。
学以致用1.如图所示,打点计时器固定在铁架台上,使重物带动纸带从静止开始自由下落,利用此装置验证机械能守恒定律。
(1)对于该实验,下列操作中对减小实验误差有利的是　　　　(填选项前的字母)。 A.重物选用质量和密度较大的金属锤B.两限位孔在同一竖直面内上下对正C.精确测量出重物的质量D.用手托稳重物,接通电源后,撒手释放重物
(2)某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50 Hz的交变电源上,按正确操作得到了一条完整的纸带,由于纸带较长,图中有部分未画出,如图所示。纸带上各点是打点计时器打出的计时点,其中O点为纸带上打出的第一个点。重物下落高度应从纸带上计时点间的距离直接测出,利用下列测量值能完成验证机械能守恒定律的选项有　　　(填选项前的字母)。A.OA、AD和EG的长度B.OC、BC和CD的长度C.BD、CF和EG的长度D.AC、BD和EG的长度
答案:(1)AB　(2)BC解析:(1)利用此装置验证机械能守恒定律,根据实验原理可判断出A、B能减小下落过程中空气阻力和摩擦力,能有效减小实验误差,A、B正确。机械能守恒定律表达式中,重物的质量可以约去,精确测量质量不能减小误差,C错误;用手托住重物,撒手后最初一段时间,重物所做的运动并不一定是自由落体运动,该操作增大误差,D错误。
(2)利用测量值能完成验证机械能守恒定律的依据就是重力做功和动能的变化量之间的关系,所以我们必须要确定好初、末位置的速度以及初、末位置的高度差,从四组数据可以看出,B、C两组数据满足此要求,B、C正确。
(2)下列实验操作的合理排列顺序是　　　　　(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(或将纸带翻个面)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、…、vn
热点2 实验数据处理及误差分析
典例剖析【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。
(1)质量为m的重物在点2的速度v2=　　　　,在点5的速度v5=　　　,此过程中动能增加量ΔEk=　　　　,重力势能减少量ΔEp=　　　　。由以上可得出实验结论　 　　　 　。(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　 。
(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)(　　)
答案:(1)1.50 m/s　2.075 m/s　1.03m J 1.06m J　在误差允许的范围内,机械能守恒 (2)小于　纸带受到摩擦力作用 (3)C
(3)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距离成正比, C正确。
(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=9.51 cm、d2=15.71 cm、d3=23.47 cm。重物质量为0.5 kg,当地重力加速度g取9.8 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。(计算结果均保留两位有效数字) 
(2)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　　　　(填选项前的字母)。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
(3)下列关于这一实验的实验误差的说法正确的是　　(填选项前的字母)。 A.重物质量的称量不准会造成较大误差B.重物质量选用得大些,有利于减小误差C.重物质量选用得较小些,有利于减小误差D.纸带下落和打点不同步一定会造成较大误差答案:(1)0.77　0.76　(2)BD　(3)B
4.某同学用图甲所示的实验装置验证机械能守恒定律,其中打点计时器的电源为交流电源,其频率为40 Hz,打出纸带的一部分如图乙所示。
(1)已测得s1=8.89 cm,s2=9.50 cm,s3=10.10 cm,当地重力加速度大小为9.8 m/s2,重物的质量为m=1.00 kg。若从打出的纸带可判定重物匀加速下落,请计算在打点计时器打出B点时重物下落的速度大小为　　　　 m/s,打出C点时重物下落的速度大小为　　　　 m/s。 (2)打点计时器打出B点到打出C点的过程中,重物增加的动能　　　　(选填“大于”“等于”或“小于”)减小的重力势能。造成这一现象的原因是　　　　(填下列选项前的字母)。 A.有阻力存在B.打点计时器打B点时的速度不为零
答案:(1)3.68　3.92　(2)小于　A　(3)实验成功　计算过程见解析
热点3 实验探究拓展
典例剖析【例3】 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用游标卡尺测量挡光条的宽度为l=9.30 mm;③由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s=　　　 cm; ④将滑块移至光电门1左侧某处,待砝码静止不动时,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m0,再称出托盘和砝码的总质量m。
(2)写出下列所示物理量的表达式(用所给字母表示):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=　　　　　　　　　。 
(1)实验时,将滑块从某处由静止释放。遮光条通过某光电门的时间为Δt,则滑块通过此光电门的瞬时速度为　　　　。(2)若通过光电门1和光电门2的速度分别为v1和v2,还需要测量　　　　　　　　　　　　　　　(并给这个物理量赋予字母),若满足表达式　　　　　　　　　,说明机械能守恒。
1.在验证机械能守恒定律的实验中,下列物理量需要直接测量的是(　　)A.重物的质量B.重力加速度C.重物下落的高度D.重物下落到某一高度所对应的瞬时速度答案:C解析:重物的质量不需要测量、重力加速度是已知的、重物下落的高度需要测量、瞬时速度是根据纸带上的数据计算得出的,故选项C正确。
2.在验证机械能守恒定律的实验中,与纸带相连的质量为1 kg的重锤自由下落,打出的纸带如图所示,相邻计数点时间间隔为0.02 s,g取9.8 m/s2。
(1)打点计时器打下计数点B时,物体的速度vB=　　　 m/s(保留两位有效数字)。 (2)某同学根据纸带上的O点到B点的数据,计算出物体的动能增加量ΔEk=0.47 J,重力势能减小量ΔEp=0.48 J,经过多次实验均发现ΔEk略小于ΔEp,试分析或解释形成这个现象的原因:  　。 答案:(1)0.97　(2)由于要克服空气阻力和纸带所受阻力做功,重锤的机械能略减少
3.在验证机械能守恒定律的实验中,某同学实验时,手总是抖动,找不出一条起始点迹清晰的纸带,该同学便选取一段纸带进行测量,如图所示,A、B、C、D、E、F是以2个计时点为1个计数点,其测量结果是lAB=4.53 cm,lAC=10.58 cm,lAD=18.17 cm,lAE=27.29 cm,lAF=37.94 cm(g取9.8 m/s2)。(1)若重物质量为m,从B到E重力势能减少了多少?(2)从B到E动能增加了多少?(3)试对实验结果进行分析。
答案:(1)2.23m J　(2)2.18m J　(3)在实验误差允许的范围内,动能的增加量等于重力势能的减少量,即机械能守恒。解析:(1)ΔEp=mgΔh=mg·lBE=m×9.8×(27.29-4.53)×10-2 J=2.23m J。
(3)动能增加量为2.18m J,略小于重力势能减少量,考虑实验误差,在实验误差允许的范围内,动能的增加量等于重力势能的减少量,即机械能守恒。
(1)实验时,下列不必要的操作是　　　　。 A.测出滑块和遮光片的总质量B.测出A、B两点的高度差C.测出挡光片的宽度D.读出挡光片通过光电门的挡光时间(2)某次实验,小车先后经过光电门1和光电门2时,连接光电门的计时器显示挡光片的挡光时间分别为t1和t2,该小组又测得挡光片的宽度为d,A、B两点和水平桌面的距离分别为h1、h2,若滑块从A点运动到B点的过程中机械能守恒,则以上测得的物理量之间应该满足的关系式为　 。 
(3)实验结果显示,滑块重力势能的减少量略大于其动能的增加量,主要原因是　　　　　　　　　　　。 答案:(1)A