高中物理 第4章 能量守恒与可持续发展 4.2.2 研究机械能守恒定律（二）课件 沪科版必修2.pptVIP

第4章 4 2 2研究机械能守恒定律 二 实验探究 验证机械能守恒定律 学习目标1 理解实验的设计思路 明确实验中需要直接测量的物理量 2 知道实验中选取测量点的有关要求 会根据纸带测定物体下落的高度 掌握测量瞬时速度的方法 3 能正确进行实验操作 分析实验数据得出结论 能定性地分析产生误差的原因 内容索引 自主预习梳理 重点知识探究 当堂达标检测 自主预习梳理 一 实验原理只有重力对物体做功的过程 比较物体重力势能的变化量与动能变化量 若满足 则说明机械能守恒 ep ek 二 两种验证方案方案一用单摆和dis装置验证机械能守恒1 实验步骤 1 如图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 让摆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 图1 2 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 方案二用自由落下的重物和打点计时器验证机械能守恒1 实验步骤 1 安装置 按图2甲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 图2 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2mm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0到1 2 3 的距离 即为对应下落的高度h1 h2 h3 2 数据处理 2 机械能守恒定律验证方法一 利用起始点和第n点 方法二 任取两点a b 方法三 图像法 如图3所示 图3若在实验误差允许范围内图线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 3 误差分析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 4 实验注意事项 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 重点知识探究 一 实验原理及基本操作 例1在利用自由落体运动验证机械能守恒定律的实验中 电源的频率为50hz 依次打出的点为0 1 2 3 4 n 则 1 如用第2点到第6点之间的纸带来验证 必须直接测量的物理量为 必须计算出的物理量为 验证的表达式为 第2点 到第6点之间的距离h26 第1点到第3点之间的距离h13 第5点到第7点 之间的距离h57 第2点的瞬时速度v2 第6点的 瞬时速度v6 答案 解析 2 下列实验步骤操作合理的排列顺序是 填写步骤前面的字母 a 将打点计时器竖直安装在铁架台上 b 先接通电源 再松开纸带 让重物自由下落 c 取下纸带 更换新纸带 或将纸带翻个面 重新做实验 d 将重物固定在纸带的一端 让纸带穿过打点计时器 用手提着纸带 e 选择一条纸带 用刻度尺测出物体下落的高度h1 h2 h3 hn 计算出对应的瞬时速度v1 v2 v3 vn 答案 adbcef 处理实验问题 要明确实验原理 根据原理设计实验步骤 有针对性的分析问题 针对训练 多选 用自由落体法验证机械能守恒定律 就是看是否等于mghn n为计数点的编号 下列说法中正确的是a 打点计时器打第一个点0时 重物的速度为零b hn是计数点n到起始点0的距离c 必须测量重物的质量d 用vn gtn计算vn时 tn n 1 t t为打点周期 答案 解析 解析本实验的原理是利用重物的自由落体运动来验证机械能守恒定律 因此打点计时器打第一个点时 重物运动的速度应为零 a正确 hn与vn分别表示打第n个点时重物下落的高度和对应的瞬时速度 b正确 二 数据处理及误差分析 例2某实验小组 用落体法验证机械能守恒定律 实验装置如图4甲所示 实验中测出重物自由下落的高度h及对应的瞬时速度v 计算出重物减少的重力势能mgh和增加的动能mv2 然后进行比较 如果两者相等或近似相等 即可验证重物自由下落过程中机械能守恒 请根据实验原理和步骤完成下列问题 图4 1 关于上述实验 下列说法中正确的是 a 重物最好选择密度较小的木块b 重物的质量可以不测量c 实验中应先接通电源 后释放纸带d 可以利用公式v 来求解瞬时速度 答案 解析 解析重物最好选择密度较大的铁块 受到的阻力较小 故a错误 2 如图乙是该实验小组打出的一条点迹清晰的纸带 纸带上的o点是起始点 选取纸带上连续的点a b c d e f作为计数点 并测出各计数点到o点的距离依次为27 94cm 32 78cm 38 02cm 43 65cm 49 66cm 56 07cm 已知打点计时器所用的电源是50hz的交流电 重物的质量为0 5kg 则从计时器打下点o到打下点d的过程中 重物减小的重力势能 ep j 重物增加的动能 ek j 两者不完全相等的原因可能是 重力加速度g取9 8m s2 计算结果保留三位有效数字 2 14 2 12 重物下落过程中受到阻力作用 答案 解析 解析重力势能减小量 ep mgh 0 5 9 8 0 4365j 2 14j 利用匀变速直线运动的推论 由于存在阻力作用 所以减小的重力势能大于动能的增加 3 实验小组的同学又正确计算出图乙中打下计数点a b c d e f各点的瞬时速度v 以各计数点到a点的距离h 为横轴 v2为纵轴作出图像 如图丙所示 根据作出的图线 能粗略验证自由下落的物体机械能守恒的依据是 图像的斜率等于19 52m s2 约为重力加速度g的两倍 故能验证 当图像的斜率为重力加速度的2倍时 即可验证机械能守恒 因此能粗略验证自由下落的物体机械能守恒 答案 解析 当堂达标检测 1 实验器材及误差分析 如图5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 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 低压直流电源d 低压交流电源 图5 解析在处理数据时需要测量长度 故需要米尺 电磁打点计时器工作时需要使用低压交流电源 所以选项a d正确 1 2 答案 解析 2 实验中产生误差的原因有 写出两个原因即可 解析造成误差的原因有 纸带和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 选取始末位置过近 交流电频率不稳定 1 2 纸带和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 选取始末位置过近 交流电频率不稳定 任选其二 答案 解析 3 实验中由于打点计时器两限位孔不在同一竖直线上 使纸带通过时受到较大阻力 这样将造成 解析由于阻力作用 物体重力势能的减少量大于动能的增加量 即mgh mv2 选项b正确 1 2 答案 解析 1 2 2 实验原理及误差分析 如图6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中进行测量 则需要测量的物理量有 填序e号 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 图6 或 答案 2 为提高实验结果的准确程度 某小组同学对此实验提出以下建议 软绳的质量要轻 在 轻