2019-2020学年高中物理 第四章 机械能和能源 第五节 验证机械能守恒定律学案 粤教版必修2

第五部分验证了机械能守恒定律1.知道实验的基本原理、方法和注意事项。2.可以对实验数据进行分析、讨论和误差分析。使用自由落体运动可以确认机械能守恒定律。一、实验目的研究物体运动中动能和势能的变化，验证机械能守恒定律。二、实验原理和方法为了只作用重力的情况，研究运动过程，比较物体的重力势能变化量和动能变化， ep=- ek。如果满意，说明机械能守恒。比较运动中两种状态的机械能。如果ek1 ep1=ek2 ep2满足，还将说明机械能守恒。两种设计方案(1)方案i如果做自由落体运动的物体的下落高度为h时速度，则物体的重力势能减少量为mgh，动能增加量为mv2，mgh=mv2，gh=v2，则验证了机械能守恒定律。实验中，高度h和速度v通过打点计时器得出的磁带测量值计算。(2)方案ii使用钟摆和dis设备验证机械能守恒，将dis设备的光电门放在a、b、c、d每个点上，并测量每个点的速度，如图所示。测量每个点处d的高度。使用结果数据验证是否保留了机械能。三、实验设备场景1:打点计时器和电源、铁架(铁夹)、胶带、钩弦、长度、夹子。方案2: dislab实验用具组、铁架、单摆、细线、铅笔、附有方纸的木板、长度。四、实验阶段案例1(1)如图所示，将打点计时器安装在钢架上，将打点计时器连接到电源。(2)将磁带的一端和挂钩代码固定在夹子上，另一端通过计时器限位孔用手垂直提起磁带，将插销固定在打点计时器附近。(3)先打开电源，然后松开手，使钩子随磁带自由下落。(4)重复几次，得到3-5卷印得很好的纸带。(。(5)从精制的纸带中选择一个点跟踪明显的磁带，在起点标记o，在后续点依次标记1、2、3，测量下落高度h1、h2、h3等，计算相应的重力势能减少量mghn。(6)应用vn=公式以计算每个点对应的瞬时速度，并计算相应的动能mv。(7)比较mv和mghn是否在误差范围内。案例2(1)如图所示，在铁架末端用铁架悬挂了摆锤。(2)在卦线上决定4 5个点作为测量点。(3)单独安装光纤传感器并连接到数据收集器。(4)使球在特定高度向下摆动，在摆动过程中分别测量任意时刻的动能和重力势能。(5)研究各个测量点的机械能总量具有哪些特性。五、数据处理赋值数据计算比较(1) ep=mgh， ek=mv2，比较gh和v2在错误范围内是否相等；(2) ep=mg (h2-h1)， ek=m (v-v)，g (h2-h1)和(v-v)在误差范围内是否相等。v2-h图像，用于分析曲线如同满足机械能量保留，从静态下降时，mgh=mv2，因此v2=2gh。其中，2g是常量，因此v2-h图形线必须是其斜率的一半是区域重力加速度，生成的图像必须是经过原点的倾斜直线，如图所示。六、注意事项案例1(1)要最大限度地控制实验条件，使装置满足机械能守恒条件，为此，必须采取以下措施：安装时将限位孔放在与胶带相同的垂直平面上。要挑选质量和密度更大的重物。(2)使用打点计时器时，首先要打开电源，然后松开磁带。(3)磁带选择原则正确的痕迹。适当的间隔(可以丢弃以开始集中的部分)。(4)不需要计算动能和重力势能的具体值，因此不需要测量物体的质量。(5)计算速度时，不能使用v=gt或v=。否则，使用机械能守恒定律验证机械能守恒的错误。(6)测量下落高度时，为了减少实验误差，后面的点要远离起点o，测量各点到o点的距离时，要同时读取各点到o点的距离。案例2(1)进行球运动时，要确保其轨迹在垂直面内，避免圆锥的摆锤运动。(2)有挂线的木板要垂直调整。(3)为了在每个位置准确测量球的瞬时速度，可以在球的下部放置扣环，使固定器位于垂直面内。七、错误分析这次实验中，在重物和纸带掉落的过程中，必须克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)，因此动能的增加量mv2比重力势能的减少量mgh略小，这是系统误差。这个实验的另一个错误原因是长度测量，偶然的错误。另外，如果交流的频率变化，实验也可能出现偶然的误差。实验原理和操作使用图a所示的实验装置确认机械能守恒定律。(1)要减少由_ _ _ _ _ _ _ _ _ _引起的错误，打点计时器的两个限位孔中心连接必须位于一条垂直线上。(2)实验时，首先选择_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _(选择“释放磁带”或“打开打点计时器”)(3)图b是实验磁带，其中a、b、c、d、e、f和g是连续的7个点。jamer验证与b点和f点对应的机械能是否相同，并轻松处理数据，方法是_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _两点之间的距离，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _点(4)如果锤质量为0.200 kg，则b，f之间的距离为12.00 cm，g为9.8 m/s2。b到f的下落过程中，锤重力潜力的减少量ep=_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j(计算结果保留3位有效数字)。分析 (1)为了减少胶带和限位孔之间摩擦产生的错误，打点计时器的两个限位孔中心连接必须位于竖直线上。(2)实验时，要打开打点计时器电源，等待打点稳定下来，然后松开磁带。(3)实验必须计算点b和f的速度，并测量a和c两点之间的距离以及e和g两点之间的距离。(4)锤从b点到f点下落时重力势能的减少量ep=mgh bf=0 . 2009 . 80 . 12j0 . 235j回答 (1)磁带和限位孔之间的摩擦(2)打点计时器断电磁带(3)a，c e，g (4)0.235对于物理实验，掌握实验原理和操作方法是最基本的要求。只有掌握实验原理，才能判断实验阶段中有什么不对，需要什么。只有亲自动手，才能正确地按顺序进行实验阶段。实验数据分析和处理一名学生用图a中所示的实验装置验证了机械能守恒定律。打点计时器使用的功率频率为50 hz，区域重力加速度大小为g=9.80m/s2。实验中该学生获得的一个点的痕迹如图b所示，纸带的第一个点为o，其他三个点a、b和c分别连续测量，显示了从这三个点到o点的距离ha、hb、hc的值。回答以下问题(计算结果保留3位有效数字):(1)打点计时器击中b点时的重物速度大小vb=_ _ _ _ _ _ _ m/s；(2)分析了该东学测定的实验资料，验证了他的实验结果对机械能守恒定律吗？请简述分析的基础。分析 (1)打点计时器击中b点时重对象速度的大小vb=m/s=3.90m/s(2)v-7.61(m/s)2，ghb-7.70(m/s)2，mv-mghb，近似验证机械能守恒定律，或从mv mghb得出其他合理结论请参阅回答 (1)3.90 (2)分析验证机械能守恒的时候，只要确认gh在v2和误差允许的范围内是否相等即可。综合创新变形“验证机械能守恒定律”实验可以利用图中所示的甲或乙安进行。甲安是用自由落体实验验证机械能守恒定律，乙安是用斜坡和汽车实验验证机械能守恒定律。(1)比较两个方案时，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _(“甲”或“_ _ _ _ _ _ _”)_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _(2)度c是测量两个计数点之间距离的实验结果磁带，如图c所示，每两个计数点之间的时间间隔t=0.1 s， 物体运动的加速度a=_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 是通过编写_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _通过实验程序获得的_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _分析 (1)机械能守恒条件是只有重力起作用，在实际运行情况下，摩擦力越小越好。(2)a=4.8m/s2。因为a比g小得多，倾斜汽车的滑动加速度，所以这个磁带是利用图b所示的实验程序获得的。答案 (1) a是摩擦阻力小、误差小、操作容易，使用实验设备少，因此(2)4.8 m/s2 b是因为物体的运动加速度比重力加速度小得多实验程序的选择遵循以下原则：(多选择)一名学生进行了验证机械能守恒定律的实验，下一步是正确的。()a.将打点计时器固定在钢架上，用电线连接到低压交流电源b.通过限制孔将装有重物的纸带举到一定高度c.首先松开磁带，然后打开电源d.替换磁带，重复实验，根据记录处理数据分析：选择abd。根据验证机械能守恒定律的实验要求，首先要开机，使打点计时器稳定工作，然后松开磁带，所以c选项不对，a，b，d都符合实验要求。为了用下落法验证机械能守恒定律的实验，可以通过打击点计时器，拍摄一系列点，测量纸绳点，分析计算，验证机械能守恒定律。实验时，以下设备是不必要的()a.重物b .秒表c.胶带d .标尺分析：b .打点计时器打的磁带本身记录了重物落下到一定程度时的时间，所以这个实验不需要秒表。3.在“验证机械能守恒定律”实验中，以下物理量中需要直接测量的是()a.重物的质量b.重力加速度c.重物落下的高度d.重物从特定高度落下的瞬间速度分析：c .重物的质量不需要测量。重力加速度是已知的。必须测量重物下落的高度。瞬时速度