高一物理培优人教版必修2课件第七章第九节《实验：验证机械能守恒定律》

第九节实验 验证机械能守恒定律 学习目标 1 掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律 2 知道实验的原理 方法和过程 3 会处理实验数据 并能对实验结果进行讨论及误差分析 重点难点 实验条件的控制及数据处理 易错问题 纸带的选取和下落高度的测量 基础知识梳理 一 实验原理1 机械能守恒定律 1 当只有重力做功时 物体的动能和重力势能发生相互转化 但机械能的总量保持不变 2 做自由落体运动的物体 只受重力作用 其机械能是守恒的 2 实验原理 图7 9 1 1 如图7 9 1所示 借助打点计时器打出的纸带 测出物体自由下落的高度h和该时刻的速度v 以纸带上的第n个点为例 如图7 9 2中的纸带 打第n个计数点时的瞬时速度等于以该时刻为中间时刻的某一段时间内的平均速度 即 图7 9 1 2 物体下落的高度为h时速度为v 则物体的重力势能减小量为mgh 动能增加量为mv2 如果mgh mv2 即gh v2 就验证了机械能守恒定律 二 实验器材铁架台 带铁夹 打点计时器 重物 带纸带夹子 纸带 复写纸 导线 毫米刻度尺 学生电源 三 探究步骤1 安装置 将打点计时器固定在铁架台上 用导线将打点计时器与低压交流电源相连接 2 接电源 打纸带 把纸带的一端在重物上用夹子固定好 另一端穿过打点计时器的限位孔 用手提着纸带使重物停靠在打点计时器附近 接通电源 待打点稳定后松开纸带 让重物自由下落 重复几次 打下3 5条纸带 3 选纸带 选取点迹较为清晰的 挑选纸带上第一个点及距离第一个点较远的点 并依次标上0 1 2 3 4 数据处理 测出0到点1 点2 点3 的距离 即为对应的下落高度h1 h2 h3 利用公式 计算出点2 点3 点4 的瞬时速度v1 v2 v3 核心要点突破 一 速度的求法要确定物体的动能 需测出物体下落一定高度时的速度 根据已学过的知识 可有三种方法 1 vn 2 vn gtn 3 vn 其中 第1种方法是根据机械能守恒定律mgh 得到的 而我们的目的是验证机械能守恒定律 显然不能用 第2种方法认为加速度为g 由于各种摩擦阻力不可避免 所以实际下落加速度必将小于g 而下落高度h是直接测量的 这样将得到机械能增加的结论 故这种方法也不能用 总之 本实验中速度看似有很多方法求得 但正确的只有一种 即根据纸带利用第3种方法求出物体实际下落的速度 而不能用理论值计算 同样的道理 重物下落的高度h也只能用刻度尺直接测量 而不能用h gt2或h 计算得到 二 验证方法及纸带的选取1 验证方法法一 用mv2 mgh验证 这是以纸带上第一点 起始点 为基准验证机械能守恒定律的方法 由于第一点应是重物做自由落体运动开始下落的点 所以应选取点迹清晰且第1 2两点间的距离接近2mm的纸带 法二 用 1 2 mvB2 1 2 mvA2 mg h验证 这是回避起始点 在纸带上选择后面的某两点验证机械能守恒定律的方法 2 纸带的选取 1 利用方法一进行验证 即验证gh 1 2 v2时 应注意纸带的挑选 选用纸带时应尽量挑点迹清晰 且第一 第二个点间的距离接近2mm的纸带 实验时必须保持提起的纸带竖直 手不动 待接通电源 让打点计时器工作稳定后再松开纸带 以保证第一点是一个清晰的点 测量高度h时 应从起始点算起 为减小h的相对误差 选取的计数点要离起始点远些 纸带也不宜过长 有效长度可在60cm 80cm 2 实际上 在操作时很难控制纸带上所打的头两个点的间距为2mm 因此只要保证操作正确 完全不必从起始点算起 在纸带上任选几个点 然后利用方法二 即验证g h 1 2 vB2 vA2 三 注意事项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 可使空气阻力减小 3 实验时 应先接通电源 让打点计时器工作正常后再松开纸带让重物下落 4 本实验中的两种验证方法中 均不需要测重物的质量m 5 速度不能用v gt或v 计算 而应用vn hn 1 hn 1 2T进行测量并计算 四 误差分析1 偶然误差 测量相关长度时带来的 减小的方法是多测几次取平均值 2 系统误差 实验过程中要克服阻力 主要是打点计时器的阻力 做功 故动能的增加量 Ek必定稍小于势能的减少量 Ep 再者 交流电的频率f不是50Hz也会带来系统误差 若f 50Hz 由于速度值仍按频率为50Hz计算 频率的计算值比实际值偏小 周期值偏大 算得的速度值偏小 动能值也就偏小 使Ek Ep的误差进一步加大 根据同样的道理 若f 50Hz 则可能出现Ek Ep的结果 课堂互动讲练 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须的 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 3 实验中产生系统误差的原因主要是 使重物获得的动能往 往 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 v2 2 h图线是 该线的斜率等于 思路点拨 验证机械能守恒定律的实验中 没必要称量重物的质量 打点计时器就是计时仪器 不再需要秒表 解析 1 选出的器材有 打点计时器 包括纸带 重物 毫米刻度尺 编号分别为A B D 注意因mgh 1 2 mv2 故m可消去 不需要用天平 2 打点计时器安装时 两限位孔必须在同一竖直线上 这样才能使重物在自由下落时 受到阻力较小 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 3 产生系统误差的主要原因是纸带通过打点计时器时受到摩擦阻力 导致重物获得的动能小于它所减少的重力势能 为减小误差 重物应选质量大一些的 4 描绘出来的 v2 2 h图象是一条通过坐标原点的倾斜直线 它的斜率为重力加速度 答案 1 ABD 2 两限位孔必须在同一竖直线上给打点计时器通电释放重物 3 纸带通过打点计时器时有摩擦阻力小于所减小的重力势能质量大一些的 4 一条通过坐标原点的倾斜直线重力加速度 2 1 在用落体法验证机械能守恒定律的实验中 所用重锤的质量m 500g 打点计时器所用电源频率为50Hz 打下的纸带如图7 9 3所示 图中的数据为从起始点O到该点的距离 则在打B点时 重锤的速度vB m s 从开始下落到打B点时 重锤的势能减少