实验验证机械能守恒定律ppt课件.ppt

1 复习回顾 1 什么叫机械能守恒 2 机械能守恒的条件是什么 3 自由落体运动的物体 机械能守恒吗 质量为m的物体从O点自由下落 以地面为零参考面 经过A B两点的速度分别为VA和VB A B两点距地面的高度分别为hA hB 4 如何推导机械能守恒的表达式 2 自主导学 1 必须选择一个符合机械能守恒的运动模型来验证机械能守恒定律 本实验选择自由落体运动模型来验证机械能守恒定律 是因为物体在自由落体运动过程中只有 做功 满足 重力 机械能守恒 3 本实验借助 实验目的 验证机械能守恒定律 自由落体运动 4 实验原理 要证明上式是否成立 需要测量哪些物理量 如何测量这些物理量 5 2 按照书本要求 本实验是验证自由落体轨迹上开始点和其后任意点之间的机械能守恒 为此必须选择物体初速度为判断开始点是否满足要求的依据是为了计算物体减少的重力势能 必须测量出物体 对应的测量器材是 为了计算出某时刻物体的动能 必须测量出物体在该时刻的瞬时速度 其计算公式为 这是利用了什么原理 为为了计算物体的动能和重力势能 按理还需要知道物体的质量 但本实验中可以不测物体的质量 其原因是 0 第1 2两点的距离是否约为2 mm 下降的高度 刻度尺 V X T 匀变速直线运动中间时刻的速度等于这段时间的平均速度 等式两边都有质量 可约去 6 6 测量下落高度时 某同学认为都必须从起始点算起 不能弄错 他的看法正确吗 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好 还是近些好 7 2 实验原理 研究在自由落体运动中 方案1 从起点开始计算 方案2 从一般位置开始计算 8 3 实验操作过程中 是先接通电源开始打点还是先放开纸带 为什么 一是为了打点稳定二是保证初速为0 4 为了减小实验误差 应尽量减小重物下落时纸带所受的阻力 因此重锤应选 填重 轻 纸带应放置 尽管采取了上述措施 但由于阻力还是存在的 所以实验中重力势能的减小量应 动能的增加量 这样才是符合实际的 5 在架设打点计时器时应注意什么 为什么 重 竖直 大于 实验步骤 9 1 该实验中选取被打点纸带应注意两点 一是第一点O为计时起点 O点的速度应为零 怎样判别呢 2 如何测量瞬时速度3 是否需要测量重物的质量 重物是否可以随意选择 4 在架设打点计时器时应注意什么 为什么 思考题 打点计时器要竖直架稳 使其两限位孔在同一竖直平面内 尽量减少摩擦阻力 10 问题1 本实验要不要测量物体的质量 无需测量物体的质量 如果实验要求计算势能和动能的具体数据 那就必须要知道物体的质量 11 问题2 纸带上的第一个点为计时起点0 起始点的速度应该为零 即打点计时器在纸带上打下第一个点时纸带刚开始下落 起始点 对于实际获得的纸带 如何判定纸带上的第一个点就是纸带刚开始下落时打下的呢 纸带上的头两个点间的距离应接近2mm 12 思考 可以回避起始点吗 即处理纸带时可以不用到起始点吗 我们可以选取A B两点 比较它们的机械能EA和EB 若以点B为0势能点 则有 EKA mg h EKB 13 问题3 如何测量物体的瞬时速度 做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度 等于相邻两点间的平均速度 14 注意事项 1 安装打点计时器时 必须使两纸带限位孔在同一竖直线上 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 可使空气阻力减小 3 选用纸带时应尽量挑选第一 二点间距接近2mm的点迹清晰且各点呈一条直线的纸带 4 计数点距起点远一些 15 思考 速度能不能用v gt计算 这种方法认为加速度为g 由于各种摩擦阻力不可避免 所以实际加速度必将小于g 这样将得到机械能增加的结论 有阻力作用机械能应该是减少的 故这种方法也不能用 实验讲解 16 实验所需物理量 1 2 1 下落高度 用刻度尺测量 2 算重力势能时g取题中给的 3 所取研究点的速度 中间时刻的速度公式 4 计算速度不能用v gt 实际的加速度小于g h V 17 图象法处理数据 该图象的斜率表示什么 图象通过原点 18 实验器材 实验器材 打点计时器 纸带 复写纸 重物 刻度尺 铁架台 带铁夹 学生电源等 打点计时器 纸带 重物 铁架台 19 实验步骤与操作 1 选择重物时 选轻一点的好还是重一点的好 为什么 我们要求重物作自由落体运动 而阻力是不可避免地存在的 为了减少阻力对实验的影响 应采用密度较大的重物 20 实验步骤与操作 2 安装打点计时器时 应注意什么问题 计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向 计时器要稳定在铁架台上 并将计时器伸出桌外 3 这样做的目的是什么 减小纸带与限位孔的摩擦带来的实验误差 保证重物有足够的下落空间 以便在纸带上能够打出较多的点 有利于进行计算 21 实验步骤与操作 4 实验时 接通电源和释放纸带的顺序怎样 先通电源 再释放纸带 5 释放纸带时应注意什么问题 释放重物前 重物应靠近打点计时器 以便能打出较多的点 拉稳纸带的上端 确保重物由静止释放 22 按如下实验步骤进行实验 用天平测量重物的质量 按照课本所示装置安装打点计时器 将纸带穿过计时器 下端与重物相连 接通电源 待计时器工作稳定后释放纸带 及时切断电源 取下纸带 标上纸带号 更换纸带 重复以上步骤 整理器材 使器材复位 实验步骤与操作 23 数据处理 我们可以选取7 13两点 比较它们的机械能E7和E13 以点13为0势能参考点 则有 EK7 mgh EK13 24 7 推导出本教材在验证机械能守恒定律实验中的具体表达式 25 验证 计时器打下的第一个点作为起始点 适当大距离后选一个点作终点 注意 必须保证纸带上的第一个点迹清晰 且是放手时打下的第一个点 26 数据记录 可不可以用图象处理数据 27 课堂合作探究 在 验证机械能守恒定律 的实验中 已知打点计时器所用电源的频率为50Hz 测得当地的重力加速度g 9 8m s2 测得所用重物的质量为1 00kg 实验中得到一点迹清晰的纸带 如图 把第一点记作O 另选连续的4个点A B C D作为测量的点 经测量知道A B C D到0点的距离分别为62 99cm 70 18cm 77 76cm 85 73cm 根据以上的数据 可知重物由0运动到C点 重力势能的减小量等于 J 动能的增加量等于 J 取三位有效数字 28 误差分析 因重物下落中要克服阻力做功 实验的动能增加量必定稍小于重力势能减少量 29 验证机械能守恒定律 1 组装实验装置 2 释放重锤记录运动情况 3 选择纸带 选点并测量 4 计算vn及对应动能 5 比较是否相等 1 安装要竖直 2 先通电再释放 3 先断电再取纸带 4 计数点距起点远一些 实验步骤 操作事项 30 A级 1 在本实验中 对自由下落的重物 下述选择的条件哪种更为有利 A 只要有足够重就可以B 只要体积足够小就可以C 既要足够重 又要体积非常小D 应该密度大些 还应便于夹紧纸带 使纸带随同运动时不致扭曲 D 31 2 在本实验中 有如下器材 A 打点计时器 B 低压交流电源 附导线 C 天平 附砝码 D 铁架台 附夹子 E 重锤 附夹子 F 纸带 G 秒表 H 复写纸 其中不必要的有 还缺少的是 C G 刻度尺 32 3 在验证机械能守恒定律的实验中 已知打点计时器打点间隔为T 某一组同学得到了一条如图所示的纸带 在填写实验报告时甲 乙两个同学选择了不同的数据处理方法 甲同学测出了C点到第一点O的距离hOC 利用v 2ghOC计算得到了C点的速度 然后验证mghOC与1 2mv2相等 乙同学测出了A B C D各点到第一点O的距离hOA hOB hOC hOD 利用vB vC 计算B C点的速度 然后验证了mg hOC hOB 与1 2mv2 1 2mv2是否相等 请你对甲乙两位同学的做法逐一分析 不合理之处提出完善方法 33 4 下列列出一些实验步骤 A 用天平称出重物和夹子的质量B 将重物系在夹子上C 将纸带穿过计时器限位孔 上端用手提着 下端夹上系住重物的夹子 再把纸带向上拉 让夹子静止在靠近打点计时器处 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6V 电源不接通 E 把打点计时器用铁夹子固定到放在桌边的铁架台上 使两个限位孔在同一直线上 34 F 在纸带上选取几个点 进行测量和记录数据 G 用秒表测出重物下落的时间H 接通电源 待计时器响声稳定释放纸带I 切断电源J 更换纸带重新进行两次实验K 在三条纸带中选出较好的一条L 进行计算 得出结论 完成实验报告M 拆下导线 整理器材对于本实验以上步骤中 不必要的有 正确步骤的合理顺序是 填写代表字母 35 2 若实验中所用重锤的质量为m 1kg 打点纸带如图所示 图中分别标出了点A B C D到第一个点O点的距离 且打点间隔为0 02s 则记录B点时 重锤的速度vB 重锤的动能Ek 从开始下落起至B点重锤的重力势能减小了 由此可得结论 例1 用落体法验证机械能守恒定律的实验中 1 运用公式时对实验条件的要求是 不计阻力 物体自由下落 3 69m s 6 82J 6 88J 在误差允许范围内动能的增加量等于重力势能的减小量 36 3 根据纸带给出的相关各点的速度v 量出下落距离h 则以v2 2为纵轴 以h为横轴作出图像应是下图中的 C 37 例3 如图所示 两个质量各为m1和m2的小物块A和B 分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端 已知m1 m2 现要利用此装置验证机械能守恒定律 1 若选定物块A从静止开始下落的过程进行测量 则需测量的物理量有 物块的质量m1 m2 物块A下落的距离及下落这段距离所用的时间 物块B上升的距离及上升这段距离所用的时间 绳子的长度 或 38 2 为提高实验结果的准确程度 某小组同学对此实验提出如下建议 绳的质量要轻 在 轻质绳 的前提下绳子越长越好 尽量保证物块沿竖直方向运动 不要摇晃 两个物块的质量之差要尽可能小 以上建议中对提高准确程度确实有作用的是 3 写出一条上面没有提到的对提高实验结果准确程度有益的建议 例如 对同一高度多次测量求平均值 选取受力后伸长尽量小的绳子等 39 例4 与打点计时器一样 光电计时器也是一种研究物体运动情况时的常用计时仪器 如图甲所示 a b分别是光电门的激光发射和接收装置 现利用如图乙所示的装置验证机械能守恒定律 方法是 在滑块上安装一遮光板 把滑块放在水平放置的气垫导轨上 通过跨过定滑轮的细绳与钩码相连 连接好1 2两个光电门 在图示位置释放滑块后 光电计时器记录下滑块上的遮光板先后通过两个光电门的时间分别为 已知滑块 含遮光板 质量为M 钩码质量为m 两光电门间距为s 遮光板宽度为L 当地的重力加速度为g 40 1 用游标卡尺测量遮光板宽度为L如图丙所示 2 计算滑块先后通过两个光电门时的瞬时速度的表达式为 用题中给定字母表示 v1 v2 3 本实验中 用题中给定字母表示验证机械能守恒的表达式为 41 例5 在用落体法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 其中O是起始点 A B C是打点计时器连续打下的3个点 该同学用毫米刻度尺测量O到A B C各点的距离 并记录在图中 单位cm 1 这三个数据中不符合有效数字读数要求的是 应记作cm 15 7 15 70 42 2 该同学用质量为m的重锤在OB段的运动来验证机械能守恒 已知当地的重力加速度g 9 80m s2 他用AC段的平均速度作为跟B点对应的物体的即时速度 则该段重锤重力势能的减少量为 而动能的增加量为 均保留3位有效数字 这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量 动能的增加量 填 大于 小于 或 等于 原因是 2 解 1 22m 1 20m 大于 是v是实际速度 因为有摩擦生热 减少的重力势能一部分转化为内能 43 3 另一位同学根据同一条纸带 同一组数据 也用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒 将打点计时器打下的第一个点O记为第1个点 图中的B是打点计时器打下的第9个点 因此他用vB gt计算跟B点对应的物体的即时速度 得到动能的增加量为 这样验证时的系统误差总是使重力势能的减少量 动能的增加量 填 大于 小于 或 等于 原因是 3 解 1 23m 小于 v是按照自由落体计算的 因为有阻力 对应的下落速度比实际测得的速度要大 44 练习1 某同学利用如图所示的实验装置验证机械能守恒定律 弧形轨道末端水平 离地面的高度为H 将钢球从轨道的不同高度h处静止释放 钢球的落点距轨道末端的水平距离为s 若轨道完全光滑 s2与h的理论关系应满足s2 用H h表示 解析 1 根据机械能守恒 可得离开轨道时速度为 4Hh 由平抛运动知识可求得时间为 45 该同学经实验测量得到一组数据 如下表所示 请在坐标纸上作出s2 h关系图 对比实验结果与理论计算得到的s2 h关系图线 图中已画出 自同一高度静止释放的钢球 水平抛出的速率 填 小于 或 大于 理论值 从s2 h关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差十分显著 你认为造成上述偏差的可能原因是 s2 h关系图见右图示 小于 摩擦 转动 解见下页 46 4 由于客观上 轨道与小球间存在摩擦 机械能减小 因此会导致实际值比理论值小 小球的转动也需要能量维持 而机械能守恒中没有考虑重力势能转化成转动能的这一部分 也会导致实际速率明显小于 理论 速率 这一点 可能不少同学会考虑不到 3 从图中看 同一h下的s2值 理论值明显大于实际值 而在同一高度H下的平抛运动水平射程由水平速率决定 可见实际水平速率小于理论速率 47 练习2 某同学利用透明直尺和光电计时器来验证机械能守恒定律 实验的简易示意图如下 当有不透光物体从光电门间通过时 光电计时器就可以显示物体的挡光时间 所用的西瓯XDS 007光电门传感器可 测的最短时间为0 01ms 将挡光效果好 宽度为d 3 8 10 3m的黑色磁带贴在透明直尺上 从一定高度由静止释放 并使其竖直通过光电门 48 某同学测得各段黑色磁带通过光电门的时间 ti与图中所示的高度差 hi 并将部分数据进行了处理 结果如下表所示 取g 9 8m s2 注 表格中M为直尺质量 1 请将表格中数据填写完整 4 22 4 00M或4 01M 4 01M 49 2 从表格中数据可知 直尺上磁带通过光电门的瞬时速度是利用求出的 请你简要分析该同学这样做的理由是 3 通过实验得出的结论是 4 根据该实验请你判断下列 Ek h图象中正确的是 瞬时速度等于极短时间或极短位移内的平均速度 在误差允许的范围内 重力势能的减少量等于动能的增加量 C 50 练习3 某研究性学习小组用如图 a 所示装置验证机械能守恒定律 让一个摆球由