高中物理 第4章 第5节 验证机械能守恒定律同步课件 粤教版必修2.pptVIP

第五节验证机械能守恒定律 一 实验目的通过研究物体运动过程中的 和 变化 验证械能守恒定律 二 实验原理1 针对只有重力做功的情形 研究其运动过程 比较物体 变化量与 变化量 若满足 ep ek 则说明机械能守恒 动能势能 重力势能动能 2 比较运动过程中两个状态的机械能 若满足ek1 ep1 ek2 ep2 也说明机械能守恒 3 两种设计方案 1 方案一 利用打点计时器记录自由下落物体的运动信息 通过打点纸带确定物体下落的高度及此时对应的速度 确定减少的重力势能和增加的动能 探寻两者之间的关系 验证机械能是否守恒 2 方案二 如右图所示 用单摆和dis装置验证机械能守恒 将dis装置的光电门放在a b c d各点 测出各点的速度 测量出各点对d的高度 运用所得数据验证机械能是否守恒 三 实验器材方案一 打点计时器及电源 铁架台 含铁夹 纸带 刻度尺 夹子 方案二 dislab实验仪一套 铁架台 细线 铅笔 贴有方格纸的木板 刻度尺 钩码 摆球 方案一 落体法 验证机械能守恒一 实验步骤 1 如图把打点计时器安装在铁架台上 并将打点计时器接到电源上 2 把纸带的一端和钩码用夹子固定好 另一端穿过计时器限位孔 用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近 3 先接通电源 然后松手让重物带着纸带自由下落 4 重复几次 得到3 5条打好点的纸带 5 在打好点的纸带中挑选一条点迹清晰的纸带 在起始点标上o 以后的点依次标上1 2 3 用刻度尺测出对应下落的高度h1 h2 h3 并计算相应的重力势能减少量mghn 7 比较与mghn是否在误差范围内相等 二 数据处理1 代人数据计算比较 2 作v2 h图象 分析曲线 从静止开始下落 如满足机械能守恒 则mgh mv2 所以v2 2gh 其中2g为常数 故v2 h图线应为过原点的倾斜直线 斜率的一半为当地重力加速度 所得图象如右图 三 误差分析1 本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力 空气阻力 打点计时器阻力 做功 故动能的增加量mv2稍小于重力势能的减少量mgh 这是系统误差 2 本实验的另一个误差来源是长度的测量 属偶然误差 3 另外交流电的频率发生波动 也会给实验带来偶然误差 四 注意事项 1 应尽可能控制实验条件 使装置满足机械能守恒的条件 这需要尽量减小各种阻力 采取的措施有 1 安装时使限位孔与纸带处于同一竖直平面内 2 应选用质量和密度较大的重物 2 使用打点计时器时 应先接通电源 再松开纸带 3 选取纸带的原则是 1 点迹清晰 2 所打点间距适中 可舍去开始打点密集的部分 4 由于不需要计算动能和重力势能的具体数值 因而不需要测量物体的质量 方案二用dis装置验证机械能守恒实验过程 1 在铁架台上端用铁架悬挂一个摆球 如图 2 在方格纸上确定4 5个点作为测量点 3 分别安装光电传感器 并使之与数据采集器相连接 4 让小球从某一高度向下摆动 分别测定摆球在摆动过程中任意时刻的动能和重力势能 5 研究每一个测量点上机械能的总量有什么特点 注意事项 1 小球运动时 应使其轨迹在一竖直面内 避免做圆锥摆运动 2 调整带方格纸的木板 应使其竖线在竖直方向上 3 为准确测定小球在各位置的瞬时速度 可在小球下部安置一块挡光片 并确保挡光片在竖直面内 1 为进行 验证机械能守恒定律 的实验 有下列器材可供选择 a 铁架台b 打点计时器c 复写纸d 纸带e 低压交流电源f 天平g 秒表h 导线i 电键j 米尺上述器材不必要的是 只填字母代号 缺少的器材是 2 实验中下列物理量中需要直接测量的量有 通过计算可得到的量有 填字母序号 a 重锤质量b 重力加速度c 重锤下落的高度d 与下落高度相对应的重锤的瞬时速度 3 质量为m 1kg的重锤自由下落 在纸带上打出一系列的点如图所示 o为第一个点 a b c为相邻的点 相邻计数点的时间间隔为0 02s 长度单位是cm 取g 9 8m s2 求 a 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 b 从点o到打下计数点b的过程中 物体重力势能的减少量 ep j 动能的增加量 ek j 保留两位有效数字 重力势能减小量 ep mghob 1 9 8 4 86 10 2j 0 48j 答案 1 f g重锤 2 cd 3 0 970 480 47 变式训练 1 在验证机械能守恒定律的实验中 1 从下列器材中选出实验所必需的 其编号为 a 打点计时器 包括纸带 b 重物 c 天平 d 毫米刻度尺 e 秒表 f 运动小车 2 打点计时器的安装放置要求为 开始打点计时的时候 应先 然后 a b d 底板要竖直 给打点计时器通电释放重物 3 实验中产生系统误差的原因主要是 使重物获得的动能 重物减少的重力势能 为减小误差 悬挂在纸带下的重物应选择 4 如果以v2 2为纵轴 以h为横轴 根据实验数据绘出的图线是 该线的斜率等于 重力加速度g 纸带通过打点计时器时有摩擦阻力 小于 质量和密度大一些的 一条通过坐标原点的倾斜直线 在 验证机械能守恒定律 的实验中 所用电源的频率为50hz 某同学选择了一条理想的纸带 用刻度尺测量时各计数点对应刻度尺上的读数如图所示 图中o点是打点计时器打出的第一个点 a b c d e分别是每打两个点取出的计数点 根据纸带计算 1 重锤下落的加速度 2 若重锤的质量为m 则重锤从开始下落到打b点时 减少的重力势能是多少 3 重锤下落到打b点时增加的动能有多大 4 从 2 3 数据可得出什么结论 产生误差的主要原因是什么 解析 在验证机械能守恒定律的实验中 误差中的一部分来自于空气阻力及纸带和打点计时器限位孔之间的摩擦 故重力势能的减少应等于动能的增加量和克服阻力做功之和 所以 此题在计算结论上肯定是重力势能减少的多 动能增加的少 其差值除偶然误差外 就是上述原因造成的 1 根据逐差法求加速度 0 101 0 1165 0 0855 0 07 4 0 04 2 m s2 9 688m s2即重锤下落的加速度为9 688m s2 2 重锤从开始下落到打b点时减少的重力势能为 ep减 mgh mg 9 8 0 1950mj 1 911mj 3 重锤下落到打b点时的速度为vb sab sbc 2t 0 07 0 0855 2 0 04 m s 1 944m s 则物体从开始下落到打b点增加的动能为 ep增 mvb2 2 1 944 2m 2 1 89mj 4 从 2 3 可以得出 在实验误差允许范围内 重锤重力势能的减少等于其动能的增加 机械能守恒 重锤减少的重力势能略大于其增加的动能的原因是 重锤在下落时要受到阻力的作用 打点计时器对纸带摩擦 空气阻力等 重锤克服阻力做功要损失一部分机械能 答案 1 9 688m s2 2 1 911mj 3 1 89mj 4 从 2 3 可以得出 在实验误差允许范围内 重锤重力势能的减少等于其动能的增加 机械能守恒 重锤减少的重力势能略大于其增加的动能的原因是 重锤在下落时要受到阻力的作用 打点计时器对纸带摩擦 空气阻力等 重锤克服阻力做功要损失一部分机械能 变式训练 2 某同学做 验证机械能守恒定律 的实验时不慎将一条选择好的纸带的前面一部分破坏了 测出剩下的一段纸带上的各个点间的距离如下图所示 已知打点计时器工作频率为50hz 重力加速度g取9 8m s2 1 利用这段纸带说明重锤通过2 5两点时机械能守恒 2 分别说明为什么得到的结果是重力势能减少量 ep稍大于重锤动能的增加量 ek 答案 1 因为 ep mgh 1 047mj 在实验误差允许范围内 ep ek 机械能守恒 2 由于存在空间阻力和纸带与打点计时器间的摩擦力 减少的重力势能一小部分由于摩擦转化为其他能量 所以 增加的动能略小于减少的重力势能 基础达标 1 在利用重锤自由下落 验证机械能守恒定律 的实验中 产生误差的主要原因是 a 重锤下落的实际高度大于测量值b 重锤下落的实际高度小于测量值c 重锤实际末速度v大于gt g为重力加速度 t为下落时间 d 重锤实际末速度v小于gt d 2 在 验证机械能守恒定律 的实验中 由于打点计时器两个限位孔不在同一竖直线上 使纸带通过时受到较大阻力 这样的结果会有 d 以上都有可能 a 3 在 验证机械能守恒定律 的实验中 下列物理量中需要用工具直接测量的有 a 重锤的质量b 重力加速度c 重锤下落的高度d 与重锤下落高度对应的重锤的瞬时速度 c 4 在验证机械能守恒定律的实验中 下列说法正确的是 a 需要天平测定重锤质量b 实验时要先松开纸带让重锤下落 然后接通电源让打点计时器工作c 应该选用第1 2点之间间距约等于2mm的纸带进行分析d 实验结果总是动能的增加量略大于重力势能的减少量 c 5 利用重锤自由下落验证机械能守恒定律实验时 下列说法不正确的是 a 选用重锤时 重的比轻的好b 选用重锤时 体积小的比体积大的好c 选用重锤后要测出锤的质量d 重锤所受重力要远大于它所受的空气阻力和打点计时器对纸带的阻力 解析 实验过程中 重锤下落的过程中会受到空气阻力和纸带与打点计时器之间的摩擦阻力作用 要减小实验误差 就必然减小这些阻力 所以重锤要选用体积小 重一些的 一是减小阻力 二是使阻力相对于重力较小 可以忽略 选项abd正确 由于动能和重力势能的表达式中都有质量m 因此在比较始末位置的机械能时不需要测出重锤的质量的大小 所以选项c错误 答案 c 6 用电磁打点计时器做 验证机械能守恒定律 的实验 有如下可供选择的实验器材 铁架台 打点计时器 复写纸 纸带 低压直流电源 天平 秒表 导线 开关 其中不必要的器材是 缺少的器材是 低压直流电源 天平 秒表 低压交流电源 重锤 刻度尺 7 双选 下列关于 验证机械能守恒定律 实验的实验误差的说法 正确的是 a 重物质量的称量不准会造成较大误差b 重物质量选用得较大些 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 先释放纸带后接通电源会造成较大误差 解析 该实验不需要测量物体的质量 故a错 选用质量较大的重物有利于减小摩擦带来的误差 b对 应先接通电源 待打点稳定后再松开纸带 故d对 答案 bd 能力提升 8 在 验证机械能守恒定律 的实验中 某同学依据纸带求得相关各点的瞬时速度以及与此相对应的下落距离h 以v2为纵轴 以h为横轴 建立坐标系 描点后画出变化图线 从而验证机械能守恒定律 若所有操作均正确 则得到的v2 h图象应是图中的 解析 若满足机械能守恒应有v2 gh即v2与h成正比关系 c对 答案 c 9 某位同学用落体法做 验证机械能守恒定律 的实验 下列操作步骤中错误的是 a 把打点计时器固定在铁架台上 用导线连接到低压交流电源b 将连有重锤的纸带穿过限位孔 将纸带和重锤提升到一定高度c 先释放纸带 再接通电源d 更换纸带 重复实验 根据记录处理数据 解析 根据验证机械能守恒定律的实验要求 应先接通电源 让打点计时器工作稳定后 再释放纸带 故c选项是错误的 a b d均符合实验要求 故选c 答案 c 10 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 还需要的器材有 填入正确选项前的字母 a 米尺b 秒表c 0 12v的直流电源d 0 12v的交流电源 2 实验中误差产生的原因有 写出两个原因 解析 1 用a项米尺测量长度 用d项交流电源供打点计时器使用 2 纸带与打点计时器之间有摩擦 用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差 计算势能变化时选取的始末两点距离过近 交流电频率不稳定 答案 1 a d 2 见解析 11 下图是某同学探究 动能与重力势能的转化和守恒 实验及打出的一条纸带的一部分 1 已知打点计时器的周期为0 02s 当地的重力加速度为g 9 8m s2 图中数字为各点距起点o的距离 设重锤为m 0 1kg 当打到b点时 重锤的重力势能减少了 j 动能增加了 j 保留三位有效数字 2 若当地的重力加速度未知 则可利用此实验来测量当地的重力加速度 请写出测量值与当地重力加速度的值总有差异的一个原因 2 打点时纸带与打点计时器间存在摩擦阻力 答案 1 0 1910 190 2 见解析 12 在利用电火花打点计时器 验证机械能守恒定律 实验中 下面给出的一些实验步骤 a 天平称出重锤及夹子的质量b 将纸带固定在重锤的夹子上c 将纸带穿过计时器的限位孔 上端