高中物理 7.9 实验：验证机械能守恒定律同步辅导与检测课件 新人教版必修2.ppt

第九节实验 验证机械能守恒定律 转动滚摆 将弦线均匀地绕在它的木轴上 这时软弹簧处于伸长状态 释放滚摆后 由于弹簧的拉力 使滚摆飞速地旋转 待弹簧恢复到平衡位置时 由于滚摆转动的惯性 再一次将弹簧拉长 如此反复地运动 找些器材动手做一做 并想一想其中的道理 1 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 过程 3 对实验结果的讨论及误差分析 课前预习 1 本实验的目的是 2 本实验中 重物的质量用 测出 3 重物下落的高度等于 4 根据纸带求速度 1 测量瞬时速度的更为简单而准确的方法是 做匀变速直线运动的纸带上某点的瞬时速度 等于 的平均速度 验证机械能守恒定律 天平 纸带上某两点的距离 相邻两点间 2 推导过程 由于纸带做匀加速运动 故有a c之间的平均速度ac 又根据速度公式有vb vc 故有vb va 即2vb va vc 从而 vb ac va a t vb a t vc vb 实验的原理及方法是怎样的 实验如何进行 1 原理 在物体自由下落的过程中 只有重力对物体做功 遵守机械能守恒定律 即重力势能的减少量等于动能的增加量 利用打点计时器在纸带上记录下来的物体自由下落的高度h 计算出瞬时速度v 便可验证物体重力势能的减少量 ep mghn与物体动能的增加 2 器材 铁架台 带铁夹 打点计时器 重物 带纸带夹子 纸带几条 复写纸片 导线 刻度尺 学生电源 3 实验步骤 1 按图将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 2 把纸带的一端在重物上用夹子固定好 另一端穿过计时器的限位孔 用手竖直提起纸带使重物停靠在打点计时器附近 3 先接通电源后松手 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点迹清晰且第1 2两个计时点间距离接近2mm的一条纸带 在起始点标上0 以后各点依次标上1 2 3 用刻度尺测出对应下落高度h1 h2 h3 尝试应用 1 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测量的有 通过计算得到的有 a 重锤的质量b 重力加速度c 重锤下落的高度d 与重锤的下落高度对应的重锤的瞬时速度 解析 通过实验原理可知 只要确定了重锤减少的重力势能等于增加的动能 即mgh mv2就能得出结论 由于验证的是一个等量关系 而无须求出重力势能或动能的具体数 答案 cd 实验数据处理的方法是什么 1 纸带的选取 关于纸带的选取 分两种情况加以说明 尝试应用 2 如图是用自由落体法验证机械能守恒定律时得到的一条纸带 有关尺寸在图中已注明 我 们选中n点来验证机械能守恒定律 下面举一些计算n点速度的方法 其中正确的是 a n点是第n个点 则vn gntb n点是第n个点 则vn g n 1 t cd 实验中有哪些需要注意的事项 名师提示 重物在拖着纸带下落过程中必然受到阻力作用 主要是打点计时器与纸带的摩擦力以及空气的阻力 克服这些阻力做功要消耗能量 所以重锤动能的增加量 ek必定小于重力势能的减少量 ep 这是实验设计上带来的系统误差 减小这种误差的方法有 使打点计时器的限位孔在同一竖直线上 适当增加重锤的质量 减小重锤的体积等方法来减小系统误差 尝试应用 3 下列关于 验证机械能守恒定律 实验的实验误差的说法中 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 bd 数据分析 在验证机械能守恒定律的实验中 打点计时器所用电源的频率为50hz 当地重力加速度的值为9 80m s2 测得所用重物的质量为1 00kg 甲 乙 丙三个学生分别用同一装置打出三条纸带 量出各纸带上第一 二两点间的距离分别为0 18cm 0 19cm和0 25cm 可看出其中肯定有一个学生在操作上有错误 操作有错误的是 若按实验要求正确地选出纸带进行测量 量得连续三点a b c到第一个点的距离如图所示 相邻计数点时间间隔为0 02s 那么 1 纸带的 端与重物相连 2 打点计时器打下计数点b时 物体的速度vb 3 从起点o到打下计数点b的过程中重力势能减少量是 ep 此过程中物体动能的增加量 ek 4 通过计算 数值上 ep ek 填 或 这是因为 5 实验的结论是 4 由以上计算知 ep ek 这是因为实验中有摩擦力和空气阻力等的存在 重物要克服阻力做功而损失机械能 5 在实验误差允许范围内 机械能守恒 答案 丙同学 1 左 2 0 98m s 3 0 49j0 48j 4 实验中存在摩擦力和空气阻力 重物克服阻力做功损失机械能 5 在实验误差允许范围内机械能守恒 变式应用 1 在用自由落体做 验证机械能守恒定律 的实验中 测出了纸带上连续5个间隔的距离 重物的质量为mkg 从b到d重物重力势能的减少量 ep j 重物动能增加量 ek j 答案 0 570m0 546m 实验设计 如图所示 两个质量分别为和的物块a和b 分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端 1 2是两个光电门 用此装置验证机械能守恒定律 1 实验中除了记录物块b通过两光电门时的速度v 1 v 2外 还需要测量的物理量是 2 用已知量和测量量写出验证机械能守恒的表达式 解析 a b运动过程中 若系统的机械能守恒 则有 所以除了记录物体b通过两光电门时的速度 外 还需要测的物理量有 和 两光电门之间的距离 答案 1 a b两物块的质量和 两光电门之间的距离 2 名师归纳 解决这类创新型的实验题 关键在于明确实验目的 实验原理 从而进一步分析设计实验方案 测量相应的物理量是为了服务于实验目的 变式应用 2 如右图所示装置可用来验证机械能守恒定律 长度为l的轻绳一端固定在o点 另一端系一摆锤a 在a上放一个小铁片 现将摆锤拉起 使绳偏离竖直方向 角 由静止开始释放摆锤 当其到达最低位置时 受到竖直挡板p阻挡而停止运 动 这时铁片将做平抛运动而飞离摆锤 用刻度尺量出铁片的水平位移为s 下落高度为h 1 要验证摆锤在运动中机械能守恒 必须求出摆锤初始位置离最低点的高度 其高度应为 同时还应求出摆锤在最低点时的速度 其速度应为 2 用实验中测量的物理量写出验证摆锤在运动中机械能守恒的关系式为 基础练 1 某位同学做 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上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 本题考查实验的操作步骤及应注意的问题 操作时应先接通电源 再松开纸带 以确保打下第一个点时 纸带开始下落 故选项c错误 答案 c 2 在验证机械能守恒定律实验时 发现重物减小的重力势能总是大于重物增加的动能 造成这种现象的原因是 a 选用重物的质量过大b 选用重物的质量过小c 空气对重物的阻力和打点计时器对纸带的阻力d 实验时操作不仔细 实验数据测量不准确 c 3 在验证机械能守恒定律的实验中 由于打点计时器限位孔不在同一竖直线上 使纸带通过时受到较大阻力 则以下关系正确的是 答案 a 4 某同学上交的实验报告显示重锤增加的动能略大于重锤减少的重力势能 则出现这一问题的原因可能是 a 重锤的质量测量错误b 该同学自编了实验数据c 交流电源的频率不等于50hzd 重锤下落时受到的阻力过大 解析 若交流电的频率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大 周期值偏小 算得的速度值偏大 动能值也就偏大 则可能出现 ek ep的结果 正确选项为b c 答案 bc 5 在 验证机械能守恒定律 的实验中 1 将下列主要的实验步骤 按照实验的合理顺序把步骤前的序号填在题后横线上 a 用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器处 b 将纸带固定在重物上 让纸带穿过打点计时器的限位孔 c 取下纸带 在纸带上任选几点 测出它们与第一个点的距离 并算出重物在打下这几个点时的瞬时速度 d 接通电源 松开纸带 让重物自由下落 e 查出当地的重力加速度g的值 算出打下各计数点时的动能和相应的减少的重力势能 比较它们是否相等 f 把测量和计算得的数据填入自己设计的表格里 正确步骤是 2 动能值和相应重力势能的减少值相比 实际上哪个值偏小些 解析 1 正确步骤是badcfe 2 由于实验中存在摩擦阻力和空气阻力 物体要克服上述阻力消耗能量 所以 ek增 ep减 答案 1 badcfe 2 动能值 6 在利用打点计时器验证自由下落的物体机械能守恒的实验中 设物体在打o点时释放 打点计时器打a点时物体速度为v 如图所示 一同学在实验报告中填写如下 v 2 36m s h 27 73cm 2 785m2 s2 gh 2 718m2 s2由以上数据说明在误差范围内两者相等 故机械能守恒 教师批阅 数据非实验所得 老师作此批阅的理由是 解析 在本实验中 由于摩擦力不可避免 所以重力势能的减少量大于动能的增加量 或者说物体下落的实际加速度a g 所以实验所测数据的实际结果应是v2 gh 而不是这位同学算得的结果是v2 gh 这也是本实验中为什么不用v gt来计算瞬时速度的原因所在 答案 见解析 提高练 7 右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 停表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 需要米尺来测量两点之间的距离 电磁打点计时器需用交流电源 故选项a d正确 2 纸带与电磁打点计时器之间存在摩擦阻力 测量两点之间距离时的读数有误差 计算势能变化时 选取的两点距离过近 交变电流频率不稳定 选取两个原因即可 答案 1 ad 2 见解析 8 利用如图所示装置进行 验证机械能守恒定律 的实验时 需要测量物体由静止开始自由下落到某点时的瞬时速度v和下落高度h 某班同学利用实验得到的纸带 设计了以下四种测量方案 其中正确的是 a 用刻度尺测出物体下落的高度h 并测出下落时间t 通过v gt计算出瞬时速度vb 用刻度尺测出物体下落的高度h 并通过v 计算出瞬时速度vc 根据做匀变速直线运动时纸