2022版新教材高中物理1.5.2验证机械能守恒定律课件鲁教版必修2

1、第第2 2课时课时验证机械能守恒定律验证机械能守恒定律【实验目的实验目的】1.1.验证机械能守恒定律。验证机械能守恒定律。2.2.进一步熟悉进一步熟悉_的使用。的使用。打点计时器打点计时器【实验器材实验器材】铁架台、铁架台、_、_电源、纸带、重物、天电源、纸带、重物、天平、砝码、刻度尺、导线。平、砝码、刻度尺、导线。打点计时器打点计时器交流交流【实验原理与设计】【实验原理与设计】1.1.实验原理实验原理: :(1)(1)在只有重力做功的自由落体运动中在只有重力做功的自由落体运动中, ,物体的重力势物体的重力势能和动能互相转化能和动能互相转化, ,假设物体初位置速度为假设物体初位置速度为v1,v

2、1,下落高度下落高度为为h h时对应速度为时对应速度为v2,v2,那么重力势能的减少量为那么重力势能的减少量为_,_,动能动能的增加量为的增加量为_,_,看它们在实验误差允许的范看它们在实验误差允许的范围内是否相等围内是否相等, ,假设相等假设相等, ,那么说明那么说明_。mghmgh222111mvmv22机械能保持不变机械能保持不变(2)(2)假设计算出各点的物体动能和重力势能之和假设计算出各点的物体动能和重力势能之和, ,比较比较它们的大小它们的大小, ,亦可验证机械能是否守恒。亦可验证机械能是否守恒。2.2.实验设计实验设计五个物理量的测量五个物理量的测量: :(1)(1)下落的高度下

3、落的高度(h)(h)首先在纸带上选取参考点首先在纸带上选取参考点, ,然后用毫米刻度尺量出纸带然后用毫米刻度尺量出纸带上其他点相对该点的距离。上其他点相对该点的距离。(2)(2)瞬时速度瞬时速度(v)(v)由于物体所做的自由落体运动为匀变速直线运动由于物体所做的自由落体运动为匀变速直线运动, ,所以所以纸带上某点的瞬时速度纸带上某点的瞬时速度, ,等于该段时间内中间时刻的平等于该段时间内中间时刻的平均速度。均速度。v= v= 12ssv2T(3)(3)物体质量物体质量(m)(m)用用_测量。测量。(4)(4)物体在某一位置的动能物体在某一位置的动能(E(Ek k) )由物体的质量和在该点的瞬时

4、速度求出由物体的质量和在该点的瞬时速度求出E Ek k=_=_天平天平21mv2(5)(5)物体在某一位置的重力势能物体在某一位置的重力势能(E(Ep p) )由物体的质量和在该点相对参考点的高度求出由物体的质量和在该点相对参考点的高度求出E Ep p=_=_mghmgh【实验过程】【实验过程】一、实验步骤一、实验步骤1.1.按照如下图实验装置安装实验器材。按照如下图实验装置安装实验器材。2.2.利用天平称出重物质量。利用天平称出重物质量。3.3.将纸带的一端用夹子固定在重物上将纸带的一端用夹子固定在重物上; ;另一端穿过打点另一端穿过打点计时器的限位孔计时器的限位孔, ,用手提着纸带使重物静

5、止在靠近打点用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源计时器的地方。先接通电源, ,后松开纸带后松开纸带, ,让重物带着让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做纸带自由下落。更换纸带重复做3 35 5次实验。次实验。4.4.取下纸带并选其中一个点作为参考点取下纸带并选其中一个点作为参考点, ,设打该点时重设打该点时重物的重力势能为零物的重力势能为零, ,计算打该点时重物的动能计算打该点时重物的动能, ,它就是它就是重物下落过程中动能与重力势能的总和。重物下落过程中动能与重力势能的总和。【思考【思考讨论】讨论】(1)(1)如何选取重物如何选取重物? ?( (物理观念物理观念) )提示

6、提示: :重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。重物应选用质量大、体积小、密度大的材料。(2)(2)实验开场时实验开场时, ,是先接通电源是先接通电源, ,还是松开纸带让重物下还是松开纸带让重物下落落? ?( (科学思维科学思维) )提示提示: :应先接通电源应先接通电源, ,让打点计时器正常工作让打点计时器正常工作, ,后松开纸后松开纸带让重物下落。带让重物下落。二、数据收集与分析二、数据收集与分析1.1.分别测量并计算纸带上其他各点对应的重物的动能分别测量并计算纸带上其他各点对应的重物的动能和重力势能和重力势能, ,并分别计算出动能与重力势能之和并分别计算出动能与重力势能之和, ,将测将

7、测量和计算的数据填入表格。量和计算的数据填入表格。点序号点序号高度高度重力势能重力势能速度速度动能动能机械能机械能2.2.实验结论实验结论: :在只有重力做功的情况下在只有重力做功的情况下, ,物体的机械能物体的机械能是守恒的。是守恒的。【思考思考讨论讨论】测某时刻的瞬时速度能否用测某时刻的瞬时速度能否用v vn n= = 或或v vn n=gt=gt来计算来计算? ?( (科学思维科学思维) )提示提示: :某时刻的瞬时速度的计算应用某时刻的瞬时速度的计算应用v vn n= ,= ,不能用不能用v vn n= = 或或v vn n=gt=gt来计算。来计算。n2ghn2ghn1n1hh2T【

8、误差分析】【误差分析】1.1.在进展长度测量时在进展长度测量时, ,测量及读数不准造成误差。测量及读数不准造成误差。2.2.重物下落要抑制阻力做功重物下落要抑制阻力做功, ,局部机械能转化成内能局部机械能转化成内能, ,下落高度越大下落高度越大, ,机械能损失越多机械能损失越多, ,所以实验数据出现了所以实验数据出现了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象。各计数点对应的机械能依次略有减小的现象。3.3.由于交流电的周期不稳定由于交流电的周期不稳定, ,造成打点时间间隔变化而造成打点时间间隔变化而产生误差。产生误差。类型一实验操作类型一实验操作【典例【典例1 1】如图为验证机械能守恒定律的实验

9、装置示意】如图为验证机械能守恒定律的实验装置示意图。现有的器材为图。现有的器材为: :带铁夹的铁架台、电磁打点计时器带铁夹的铁架台、电磁打点计时器、纸带、带铁夹的重锤、天平。答复以下问题、纸带、带铁夹的重锤、天平。答复以下问题: :世纪金榜导学号世纪金榜导学号(1)(1)为完成此实验为完成此实验, ,除了所给的器材外除了所给的器材外, ,还需要的器材有还需要的器材有_。( (填入正确选项前的字母填入正确选项前的字母)A.A.米尺米尺B.B.秒表秒表6 V6 V的直流电源的直流电源6 V6 V的交流电源的交流电源(2)(2)下面列举了该实验的几个操作步骤下面列举了该实验的几个操作步骤: :A.A

10、.按照图示的装置安装器材按照图示的装置安装器材B.B.将打点计时器接到电源的将打点计时器接到电源的“直流输出上直流输出上C.C.用天平测出重锤的质量用天平测出重锤的质量D.D.先接通电源先接通电源, ,后释放纸带后释放纸带, ,打出一条纸带打出一条纸带E.E.测量纸带上某些点间的距离测量纸带上某些点间的距离F.F.根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势根据测量的结果计算重锤下落过程中减少的重力势能是否等于增加的动能能是否等于增加的动能其中操作不当的步骤是其中操作不当的步骤是_。(3)(3)实验中误差产生的原因有实验中误差产生的原因有_(_(写出两个写出两个原因原因) )。【解析】【解析】

11、(1)(1)为完成此实验为完成此实验, ,除了所给的器材外除了所给的器材外, ,测量需测量需要米尺要米尺, ,电源需要电源需要4 46 V6 V的交流电源。的交流电源。(2)(2)其中操作不当的步骤是将打点计时器接到电源的其中操作不当的步骤是将打点计时器接到电源的“直流输出直流输出上上, ,打点计时器需要交流电源。打点计时器需要交流电源。(3)(3)纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力纸带与打点计时器之间有摩擦以及空气阻力; ;用米用米尺测量纸带上点的位置时读数有误差尺测量纸带上点的位置时读数有误差; ;计算势能变化时计算势能变化时, ,选取初、末两点距离过近选取初、末两点距离过近; ;交流

12、电源频率不稳定。交流电源频率不稳定。答案答案: :(1)A(1)A、D D(2)B(2)B(3)(3)见解析见解析类型二数据处理类型二数据处理【典例【典例2 2】某实验小组】某实验小组“用落体法验证机械能守恒定用落体法验证机械能守恒定律律, ,实验装置如图甲所示。实验中测出重物自由下落实验装置如图甲所示。实验中测出重物自由下落的高度的高度h h及对应的瞬时速度及对应的瞬时速度v,v,计算出重物减少的重力势计算出重物减少的重力势能能mghmgh和增加的动能和增加的动能 mv2, mv2,然后进展比较然后进展比较, ,如果两者相如果两者相等或近似相等等或近似相等, ,即可验证重物自由下落过程中机械

13、能守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以下问题恒。请根据实验原理和步骤完成以下问题: :世纪金世纪金榜导学号榜导学号12(1)(1)关于上述实验关于上述实验, ,以下说法中正确的选项是以下说法中正确的选项是_。A.A.重物最好选择密度较小的木块重物最好选择密度较小的木块B.B.重物的质量可以不测量重物的质量可以不测量C.C.实验中应先接通电源实验中应先接通电源, ,后释放纸带后释放纸带D.D.可以利用公式可以利用公式v= v= 来求解瞬时速度来求解瞬时速度2gh(2)(2)如图乙是该实验小组得到的一条点迹清晰的纸带如图乙是该实验小组得到的一条点迹清晰的纸带, ,纸带

14、上的点纸带上的点O O是起始点是起始点, ,选取纸带上连续的点选取纸带上连续的点A A、B B、C C、D D、E E、F F作为计数点作为计数点, ,并测出各计数点到点并测出各计数点到点O O的距离依的距离依次为次为27.94 cm27.94 cm、32.78 cm32.78 cm、38.02 cm38.02 cm、43.65 cm43.65 cm、49.66 cm49.66 cm、56.07 cm56.07 cm。打点计时器所用的电源是。打点计时器所用的电源是50 Hz50 Hz的交流电的交流电, ,重物的质量为重物的质量为0.5 kg,0.5 kg,那么从计时器打下那么从计时器打下点点O

15、 O到打下点到打下点D D的过程中的过程中, ,重物减小的重力势能重物减小的重力势能Ep=_J;Ep=_J;重物增加的动能重物增加的动能Ek=_J,Ek=_J,两两者不完全相等的原因可能是者不完全相等的原因可能是_。( (重力加速度重力加速度g g取取9.8 m/s2,9.8 m/s2,计算结果保存三位有效数字计算结果保存三位有效数字) )(3)(3)实验小组的同学又正确计算出图乙中打下计数点实验小组的同学又正确计算出图乙中打下计数点A A、B B、C C、D D、E E、F F各点的瞬时速度各点的瞬时速度v,v,以各计数点到以各计数点到A A点点的距离的距离hh为横轴为横轴,v,v2 2为纵

16、轴作出图像为纵轴作出图像, ,如图丙所示如图丙所示, ,根根据作出的图线据作出的图线, ,能粗略验证自由下落的物体机械能守恒能粗略验证自由下落的物体机械能守恒的依据是的依据是_。【解析】【解析】(1)(1)重物最好选择密度较大的铁块重物最好选择密度较大的铁块, ,故故A A错误。错误。此题是以自由落体运动为例来验证机械能守恒定律此题是以自由落体运动为例来验证机械能守恒定律, ,需需要验证的方程是要验证的方程是mgh= mv2,mgh= mv2,因为我们是比较因为我们是比较mghmgh、 mv2 mv2的大小关系的大小关系, ,故故m m可约去可约去, ,不需要用天平测量重物不需要用天平测量重物

17、的质量的质量, ,操作时应先接通电源操作时应先接通电源, ,再释放纸带再释放纸带, ,故故B B、C C正正确。不能利用公式确。不能利用公式v= v= 来求解瞬时速度来求解瞬时速度, ,否那么表达否那么表达不了实验验证不了实验验证, ,却变成了理论推导却变成了理论推导, ,故故D D错误。错误。12122gh(2)(2)重力势能减小量重力势能减小量EEp p=mgh=0.5=mgh=0.59.89.80.436 5 J= 0.436 5 J= 2.14 J2.14 J。利用匀变速直线运动的推论。利用匀变速直线运动的推论: :v vD D= m/s=2.91 m/s,= m/s=2.91 m/s

18、,E EkDkD2 2 J=2.12 J, J=2.12 J,动能增加量动能增加量EEk k=E=EkDkD-0=2.12 J-0=2.12 J。由于存在阻力作用。由于存在阻力作用, ,所以减小的重所以减小的重力势能大于增加的动能。力势能大于增加的动能。x0.496 60.380 2t0.042D11mv22(3)(3)根据表达式根据表达式mgh= mv2,mgh= mv2,那么有那么有v2=2gh;v2=2gh;当图线的斜率为重力加速度的当图线的斜率为重力加速度的2 2倍时倍时, ,即可验证机械能即可验证机械能守恒守恒, ,而图线的斜率而图线的斜率k= =19.52,k= =19.52,因此能粗略验因此能粗略验证自由下落的物体机械能守恒。证自由下落的物体机械能守恒。1210.365.480.25答案答案: :(1)B(1)B、C C重物下落过程中受到阻力作用重物下落过程中受到阻力作用(3)(3)图线的斜率等于图线的斜率等于19.52,19.52,约为重力加速度约为重力加速度g g的两倍的两倍, ,故故能验证能验证类型三实验创新类型三实验创新【