沪科版必修2 4.5 实验：验证机械能守恒定律 课件（27张）.pptx

实验 验证机械能守恒定律 一 实验目的使用打点计时器验证在只有重力做功时 物体的机械能守恒定律 二 实验原理只有重力做功时 重力势能和动能相互转化 机械能守恒 重力势能的减少量等于动能的增加量 三 实验器材方案一 铁架台 摆球 铅笔 dis装置 刻度尺 方案二 铁架台 带铁夹 电磁打点计时器 重物 纸带 带夹子 复写纸 导线 毫米刻度尺 低压交流电源 4 6v 探究突破 典例剖析 实验步骤方案一 用摆球和dis装置验证机械能守恒定律 一 实验步骤1 在铁架台上端用铁架悬挂一个摆球 2 在方格纸上确定4至5个点作为测量点 3 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 探究突破 典例剖析 二 注意事项1 小球运动时 应使其轨迹在同一竖直面内 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 探究突破 典例剖析 方案二 用自由落下的重物和打点计时器验证机械能守恒定律 一 实验步骤 探究突破 典例剖析 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 选纸带选点迹清晰 且1 2两点间距离接近2mm的纸带 这是为了保证纸带上的第一个点为重物静止释放时打的点 所以前两个点的间距为h gt2 2mm 把纸带上打出的两点间的距离为2mm的第一点作为起始点 记作0 在以后各点依次标上1 2 3 探究突破 典例剖析 4 测距离用刻度尺测出0点到1 2 3 的距离 即为对应下落的高度h1 h2 h3 二 数据处理1 求瞬时速度由公式vn 计算出各计数点的瞬时速度v1 v2 v3 vn 探究突破 典例剖析 2 验证机械能守恒定律方法一 利用起始点 方法二 任取两点计算 1 任取两点a b测出hab 求出ghab 探究突破 典例剖析 方法三 图像法从纸带上选取多个点 测量从第一点到其余各点的下落高度h 并计算各点速度的二次方v2 然后以v2为纵轴 以h为横轴 根据实验数据绘出v2 h图线 若在误差允许的范围内图像是一条过原点且斜率为g的直线 则验证了机械能守恒定律 探究突破 典例剖析 三 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 重物和纸带运动中空气阻力及打点计时器摩擦阻力引起的系统误差 使动能的增加量稍小于势能的减少量 2 测量时采取多次测量求平均值的方法来减小偶然误差 安装打点计时器时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 3 打点计时器周期变化带来误差 探究突破 典例剖析 四 注意事项1 安装打点计时器时要竖直架稳 使其两限位孔中线竖直以减少摩擦阻力 2 重物应选用质量大 体积小的材料 3 实验中 提纸带的手要保持不动 且保证纸带竖直 接通电源后 等打点计时器工作稳定后再松开纸带 4 测量下落高度时 为减小实验误差 后边的点应距起点o较远 在测量各点到o点的距离时 应当用刻度尺从o点量起 一次性读出各点到o点的距离 5 计算速度时不能用v gt或v 否则就犯了用机械能守恒定律去验证机械能守恒的错误 探究突破 典例剖析 类型一对实验器材及步骤的考查 例1 2017 天津理综 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 探究突破 典例剖析 1 对于该实验 下列操作中对减小实验误差有利的是 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 释放重物 探究突破 典例剖析 2 某实验小组利用上述装置将打点计时器接到50hz的交流电源上 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 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 探究突破 典例剖析 解析 1 重物选择质量 密度较大的金属锤 可减小空气阻力的影响保证自由下落 故a正确 两限位孔在同一竖直面内上下对正 减小纸带与限位孔间的阻力 保证自由下落 故b正确 由mgh mv2可得m的大小与实验结论无关 故c不正确 用手拿着纸带的上端 让重物悬空 先接通电源 再释放 若托重物再释放 纸带不绷紧 实验误差大 故d错误 2 要验证机械能守恒定律 必须测出下落高度 计算相应点的瞬时速度 a项 oa段可求得oa中点速度大小 ad段可求得ad中点速度的大小 eg段可求得f点速度的大小 但不可求得各中点间的距离大小 因此无法求得相应过程中重物的重力势能的变化量 故a项错误 探究突破 典例剖析 b项 根据bc段 cd段的距离可求得c点的速度大小 即可求得c点处的动能大小 由于o点处动能为0 可求得oc段动能的变化量 再根据oc段距离即可求得c点处对应的重力势能变化量 验证机械能守恒 故b项正确 c项 根据已知bd段长度可求得c点的速度大小 已知eg长度可求得f点速度大小 进而求得c点到f点的动能变化 又因为已知cf的长度大小 可求得其重力势能的变化量 故c项正确 d项 由ac段长度可求得b点的速度大小 bd段长度可求得c点的速度大小 eg段长度可求得f点的速度大小 但无法求得各已知速度的点间的距离大小 无法求得其重力势能的变化量 故d项错误 故选b c 答案 1 ab 2 bc 探究突破 典例剖析 类型二实验数据分析和处理 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 已知打点计时器工作频率为50hz 重力加速度g取9 8m s2 1 钩码在2点的速度v2 和钩码在5点的速度v5 此过程中动能增加量 ek 重力势能减少量 ep 探究突破 典例剖析 2 比较得 ek 选填 大于 等于 或 小于 ep 原因是 由以上可得出实验结论 3 根据实验判断下列图像正确的是 其中 ek表示物体动能的变化 h表示物体下落的高度 探究突破 典例剖析 我们选5点为重力势能参考点 则重力势能减少为 ep mgh25 m 9 8 3 2 3 6 4 0 10 2j 1 06mj 2 显然 ek ep 原因是实验中钩码要克服阻力做功 由以上可得出实验结论为在误差允许的范围内 机械能守恒 3 物体机械能守恒 则物体减少的重力势能转化为增加的动能 即 ek mg h 可见物体增加的动能与下落的距离成正比 选项c正确 探究突破 典例剖析 答案 1 1 50m s2 075m s1 03mj1 06mj 2 小于实验中钩码要克服阻力做功在误差允许的范围内 机械能守恒 3 c 1 2 3 4 1 多选 下列关于验证机械能守恒定律实验的实验误差与操作正误的说法正确的是 a 重锤的质量称量不准会造成较大的误差b 重锤的质量选用大些 有利于减小误差c 重锤的质量选用小些 有利于减小误差d 先松开纸带让重物下落 再让打点计时器工作 会造成较大差错 1 2 3 4 解析 在验证机械能守恒定律实验中 我们只需比较gh与v2的值即可验证机械能守恒定律是否成立 与重锤的质量无关 所以选项a错误 若重锤的质量选得大些 则在重锤下落过程中 空气阻力可忽略不计 有利于减小相对误差 所以选项b正确 选项c错误 先松开纸带再打点 此时纸带上打第一个点的初速度已不为零 即打第一个点时已有了初动能 重锤动能的增量比重锤重力势能的减少量大 产生错误 选项d正确 答案 bd 1 2 3 4 2 多选 在验证机械能守恒定律的实验中 需要特别注意的有 a 称出钩码的质量b 手提纸带 先接通电源再松开纸带让钩码落下c 取下纸带 可不考虑前面较密集的点 选某个清晰的点作为起始运 解析 按实验要求 本实验应先接通电源再放开纸带 而挑选纸带应选择v0 0的纸带 v0 0的纸带的特点应为d12 2mm 答案 bd 1 2 3 4 3 关于验证机械能守恒定律实验 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 将重物系在夹子上c 将纸带穿过打点计时器 上端用手提着 下端夹在系有重物的夹子上 再把纸带向上拉 让夹子静止靠近打点计时器处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 电源暂不接通 e 把打点计时器用铁夹固定到放在桌边的铁架台上 使两个限位孔在同一竖直线上f 在纸带上选取几个点 进行测量并记录数据g 用停表测出重物下落时间h 接通电源 待打点计时器工作稳定后释放纸带i 切断电源 1 2 3 4 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 解析 根据实验原理和操作步骤可知不必要的有a g 正确步骤的合理顺序是edbchijkflm 答案 agedbchijkflm 1 2 3 4 4 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ab 4 53cm ac 10 58cm ad 18 17