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教学演示课件ppt

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教学演示课件ppt，共49页。PPT课件主要包含了实验探究·新知导学，典例精讲·释疑解惑，课堂小结，随堂练习，课标定位，素养阐释等内容，欢迎下载使用。
一、实验原理1.在只有重力做功的自由落体运动中,物体的重力势能减小,动能增加,如果重力势能的减少量等于动能的增加量,就验证了机械能守恒定律。2.两种验证方案(1)若以重物下落的起始点O为基准,设重物的质量为m,测出重物自起始点O下落距离h时的速度v,则在误差允许范围内,由计算得出 mv2=mgh,机械能守恒定律即被验证。
(2)若以重物下落过程中的某一点A为基准,设重物的质量为m,测出重物在A点的速度vA,再测出重物由A点下落Δh后经过B点的速度vB,则在误差允许范围内,由计算得出
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、低压交变电源(约8 V)。
三、实验步骤1.安装置: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。先接通电源后放手,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:从打好点的纸带中挑选点迹清晰且开始的两点间距接近2 mm的一条纸带,在起始点标上0,以后任取间隔相同时间的点依次标上1、2、3……4.测距离:用刻度尺测出计数点0到1、2、3……的距离,即为对应下落的高度h1、h2、h3……
四、数据处理1.计算各点对应的瞬时速度:根据公式vn= ,计算出1、2、3、…、n点的瞬时速度v1、v2、v3、…、vn。2.机械能守恒定律的验证:方法一:利用起始点和第n点。
方法二:任取两点A、B。
五、误差分析1.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。2.测量时采取多次测量求平均值的方法来减小偶然误差,安装打点计时器使两限位孔中线竖直,并且选择质量适当大些、体积尽量小些的重物来减小系统误差。
六、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竖直线上,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,可使空气阻力相对减小。3.实验时,应先接通电源,让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落。4.本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m。
一、实验原理与操作【例题1】 用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律。实验所用的电源为学生电源,输出电压有8 V的交变电流和直流两种。重物从高处由静止开始下落,重物拖着纸带通过打点计时器打出一系列的点,对纸带上的点进行测量,即可验证机械能守恒定律。
(1)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端上;C.用天平测出重物的质量;D.释放纸带,然后闭合电源开关打出一条纸带;E.测量打出的纸带上某些点之间的距离;F.根据测量的结果计算重物下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能。其中没有必要进行或者操作不恰当的步骤是　　　　。(将其选项对应的字母填在横线处) 
解析:(1)打点计时器应接到电源的交流输出端上,故B错误;验证机械能是否守恒只需验证mgh= mv2,即gh= v2,m可约去,故不需要用天平测重物的质量,故C没有必要进行;开始记录时,应先给打点计时器通电打点,然后再释放重物,让它带着纸带一同落下,故D错误。
答案:(1)BCD(2)过原点的倾斜直线　重力加速度g
二、数据处理与误差分析【例题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。
(1)设重物的质量为m,重物在2点的速度v2=　　　　　,在5点的速度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)(　　)
能减少量为ΔEp=mgh25=m×9.8×(3.2+3.6+4.0)×10-2 m2/s2 =1.06 m2/s2·m,由以上可得出实验结论:在误差允许的范围内,机械能守恒。
(2)由于纸带受到摩擦力作用,需克服摩擦力做功,所以获得的动能小于减少的重力势能。(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,选项C正确。答案:(1)1.50 m/s　2.075 m/s　1.03m m2/s2 1.06m m2/s2　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
三、实验创新【例题3】 利用气垫导轨验证机械能守恒定律,实验装置示意图如下图所示:
(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所求物理量的表达式。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,系统势能的减少ΔEp=　　　　(重力加速度为g)。 (3)如果ΔEp=　　　　,则可认为验证了机械能守恒定律。 
解析:由导轨标尺读出两光电门中心之间的距离s=80.30 cm-20.30 cm=60.00 cm。由于挡光条宽度很小,因此将挡光条通过光电门时的平均速度看作瞬时速度,挡光条的宽度l已用游标卡尺测量,挡光时间
两光电门中心之间的距离s即砝码和托盘下落的高度,系统势能的减小量ΔEp=mgs,最后对比Ek2-Ek1与ΔEp数值大小,在误差允许的范围内相等,就验证了机械能守恒定律。
1.(实验器材)在做验证机械能守恒定律的实验时,以下说法正确的是(　　)A.选用重锤时,密度大体积小的比密度小体积大的好B.选用重锤时,密度小体积大的比密度大体积小的好C.选用的重锤一定要测其质量D.重锤的质量大小与实验准确性无关
解析:验证机械能守恒定律实验中,由于重物要克服空气阻力做功,从而产生系统误差,选用密度大体积小的重锤能减小空气阻力的影响,从而减小误差,A正确,B、D错误;因验证量中都含有质量,可以消去,故不用测重锤的质量,C错误。答案:A
2.(实验步骤)某同学为验证机械能守恒定律制定了如下实验步骤:A.用天平称出重物的质量B.把纸带固定到重物上,并把纸带穿过打点计时器,提升到一定高度C.拆掉导线,整理仪器D.断开电源,换上新纸带,重做两次E.用停表测出重物下落的时间
F.用毫米刻度尺测出计数点与起点的距离,记录数据,并计算出结果,得出结论G.把打点计时器接到低压交变电源上H.接通电源,释放纸带I. 把打点计时器接到低压直流电源上J. 把打点计时器固定到桌边的铁架台上上述实验步骤中错误的是　　　　,可有可无的是　　　　,其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是　　　　。(均只需填步骤的代号) 
解析:对于物理实验,掌握实验原理和操作方法是最基本的要求。只有掌握了实验原理,才能判断出实验步骤中哪些是错误的,哪些是必要的;只有亲自动手进行认真的操作,才能正确地对实验步骤按序排列。上述实验步骤中错误的是E和I,因为实验中不用测定时间,打点计时器应使用低压交流电源。可有可无的实验步骤是A。其余正确且必要的步骤按实验操作顺序排列是JGBHDCF。答案:E,I　A　JGBHDCF
3.(数据处理)某次验证机械能守恒定律的实验中,用8 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,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
(2)打点计时器打B点时,重锤的重力势能减少量ΔEp减=mghOB=1×9.8×70.5×10-3 J=0.69 J。
(3)由(1)、(2)计算结果可知,重锤下落过程中,在实验允许的误差范围内,动能的增加量等于其重力势能的减少量,机械能守恒。答案:(1)1.17　0.68　(2)0.69　(3)机械能守恒
4.(误差分析)某同学用如图甲所示的装置验证机械能守恒定律。安装打点计时器后,接通电源,让打点计时器正常工作后,松开纸带。(1)将纸带上打出的第一个点记为0,并在离0点较远的任意点依次选取几个连续的点,分别记为1、2、3、……量出各点与0点的距离h,算出各点对应的速度,分别记为v1至v6,数据如表格所示:
表格中有一个数据有较大误差,代表符号为　　　　。 
(2)修正数据后,该同学计算出各点对应速度的平方值,并作v2-h图像,如图乙所示,若得出的直线斜率为k,则可测出重力加速度g=　　　　。与真实值相比,测出的g值　　　　(选填“偏小”或“偏大”)。