【课件】1.5科学验证：机械能守恒定律课件-2021-2022学年高一下学期物理鲁科版（2019）必修第二册

1、第第5 5节：科学验证：机械能守恒定律节：科学验证：机械能守恒定律机械能：动能、重力势能、弹性势能机械能：动能、重力势能、弹性势能与物体的机械运动有关的能称之机械能与物体的机械运动有关的能称之机械能机械能可以相互转化机械能可以相互转化机械能在转化过程中遵循机械能在转化过程中遵循什么规律什么规律呢？呢？ 机械能的总量保持不变？机械能的总量保持不变？一、机械能守恒定律一、机械能守恒定律机械能：机械能：动能、重力势能和弹性势能动能、重力势能和弹性势能统称统称机械能守恒定律机械能守恒定律3、适用条件：、适用条件：只有重力只有重力 做功做功2、表达式：、表达式： EK2+EP2=EK1+EP1(E2E1

2、 )只受重力只受重力其他力不做功其他力不做功4 4、时刻守恒，可任选初末状态、时刻守恒，可任选初末状态5 5、机械能守恒的另一表述：、机械能守恒的另一表述：E P EK ( (不要取零势面不要取零势面) )重力势能的减少量（或增加量）等于动能的增加量（或减少量）重力势能的减少量（或增加量）等于动能的增加量（或减少量）、物体在只有弹力做功的情况下，只发生动能和弹性势能之间的相、物体在只有弹力做功的情况下，只发生动能和弹性势能之间的相互转化，物体的机械能也守恒互转化，物体的机械能也守恒（要取零势面）（要取零势面）( (弹力弹力) )( (弹性弹性) )( (弹力弹力) )三、解题步骤：三、解题步骤

3、：比牛二优越：只涉及初末状态，不考虑中间过程比牛二优越：只涉及初末状态，不考虑中间过程, ,适用曲线运动适用曲线运动1 1、内容：在只有重力、内容：在只有重力 做功的情况下，物体的动能和重力做功的情况下，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势能发生相互转化，但机械能的总量保持不变机械能守恒定律实验探究机械能守恒定律实验探究直接方法直接方法测出物体在各个时测出物体在各个时刻的速率和高度刻的速率和高度更简单的实验更简单的实验利用速率为零的那些利用速率为零的那些时刻比较高度时刻比较高度2mm2mm实验实验Ghv11A hv22BWG重力势能重力势能动能动能=mgh机械能守恒定律

4、理论推导机械能守恒定律理论推导做自由落体运动的小球经过做自由落体运动的小球经过A A、B B两两点，在点，在ABAB过程中，重力做的功为过程中，重力做的功为2122G2121vmvmW 21GhgmhgmW 2121222121hgmhgmvmvm2112222121vmhgmvmhgm 1k1p2k2pEEEE 所以所以动能定理动能定理: :W合=EK重力做功和重力重力做功和重力势能的关系：势能的关系：WG=-EP只受重力只受重力还受其它力还受其它力, ,其他力不做功其他力不做功适用条件适用条件: :只有重力做功只有重力做功不受阻力不受阻力v0v0v0下列运动满足机械能守恒的是：下列运动满足

5、机械能守恒的是：1、手榴弹抛出后的运动、手榴弹抛出后的运动(不计阻力不计阻力)2、被匀速吊起的集装箱、被匀速吊起的集装箱3、雨滴雨滴( (降落伞降落伞) )在空中匀速下落在空中匀速下落4 4、物体沿斜面匀速下滑、物体沿斜面匀速下滑5、圆锥摆球在水平面内做匀速圆周运动圆锥摆球在水平面内做匀速圆周运动6 、子弹射穿木块子弹射穿木块判断判断: :除重力做功外，其他力做的功之除重力做功外，其他力做的功之和为零，物体的机械能守恒吗和为零，物体的机械能守恒吗? ?平衡状态平衡状态F F合合=0=0W W合合=0=0机械能一定守恒机械能一定守恒? ?F Ff fWF化学能化学能Wf机械能机械能内能内能机械能

6、恒定机械能恒定在只有弹力做功的情形下，物体系（物体和弹簧）的机械能在只有弹力做功的情形下，物体系（物体和弹簧）的机械能也守恒也守恒只有重力和弹力做功只有重力和弹力做功, ,物体的机械能守恒物体的机械能守恒判断判断:在光滑水平面上运动的小球，在光滑水平面上运动的小球，碰到弹簧上，把弹簧压缩后又被弹簧碰到弹簧上，把弹簧压缩后又被弹簧弹回来，小球的机械能守恒弹回来，小球的机械能守恒小球和弹簧组成的系统小球和弹簧组成的系统进一步认识机械能守恒定律进一步认识机械能守恒定律应用机械能守恒定律解题的一般步骤：应用机械能守恒定律解题的一般步骤：1 1、明确研究对象和运动过程、明确研究对象和运动过程2 2、受力

7、分析、受力分析、做功做功分析，分析，判断判断机械能守恒机械能守恒3 3、确定初末状态，选定、确定初末状态，选定零势能面零势能面，确定初末状态，确定初末状态的机械能的机械能4 4、根据机械能守恒定律列方程求解、根据机械能守恒定律列方程求解例：如图所示，在竖直平面内有一段四分之例：如图所示，在竖直平面内有一段四分之一圆弧轨道半径一圆弧轨道半径OAOA在水平方向，一个小球在水平方向，一个小球从顶端从顶端A A点由静止开始下滑，已知轨道半点由静止开始下滑，已知轨道半径径R R10cm10cm，不计摩擦，求小球刚离开轨，不计摩擦，求小球刚离开轨道底端道底端B B点时的速度大小？点时的速度大小？光滑曲面光

8、滑曲面E1=mgR机械能守恒机械能守恒E E1 1=E=E2 2E2=mvmv2 21 12 2mgR=mgR=mvmv2 21 12 2V= 2gRV= 2gR 解：小球运动过程中，不计摩擦阻力，机械能守恒解：小球运动过程中，不计摩擦阻力，机械能守恒以小球运动最低点为参考面，确定初末状态机械能以小球运动最低点为参考面，确定初末状态机械能例例2 2：如图，一质量为：如图，一质量为m m的小球从光滑斜面上高为的小球从光滑斜面上高为h=4Rh=4R处由静处由静止滑下，斜面底端紧接着一个半径为止滑下，斜面底端紧接着一个半径为R R的光滑圆环，求：小的光滑圆环，求：小球滑至圆环顶点时的速度各多大？球滑

9、至圆环顶点时的速度各多大？hR2R初位置末位置E1=mgh=4mgR机械能守恒机械能守恒E1=E2光滑曲面光滑曲面解：小球在光滑面运动解：小球在光滑面运动机械能守恒，取最低点机械能守恒，取最低点的水平面为零势能面的水平面为零势能面E2=mg2R+mvmv2 21 12 2得：得：v2=2 gR 例例4 4将一物体从将一物体从15m15m高的楼顶以高的楼顶以10m/s10m/s的速度抛出，的速度抛出，不计阻力，则小球落到地面的速度大小？不计阻力，则小球落到地面的速度大小？h h抛体运动抛体运动v0v0v0v0h解：小球在运动中不计解：小球在运动中不计阻力机械能守恒，取地阻力机械能守恒，取地面零势

10、能面面零势能面E1=mghmvmv2 21 12 2机械能守恒机械能守恒E1=E2得：得：vt= 2gh+v02 E2=mvmvt t2 21 12 2mgh+ =mvmv2 21 12 2mvmvt t2 21 12 2二、验证机械能守恒定律二、验证机械能守恒定律实验目的实验目的1巩固用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度巩固用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度的方法。的方法。2掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理掌握利用自由落体运动验证机械能守恒定律的原理和方法。和方法。实验器材实验器材打点计时器、交流电源、纸带、复写纸、重物、天平、打点计时器、交流电源、纸带、复写纸、重物、

11、天平、砝码、刻度尺、带有铁夹的铁架台、导线。砝码、刻度尺、带有铁夹的铁架台、导线。实验原理实验原理通过实验，测出做自由落体运动物体的重力势能的通过实验，测出做自由落体运动物体的重力势能的减少量和相应过程动能的增加量，若二者相等，说明机减少量和相应过程动能的增加量，若二者相等，说明机械能守恒，从而验证机械能守恒定律。械能守恒，从而验证机械能守恒定律。实验步骤实验步骤1测质量：使用天平称出重物的质量。测质量：使用天平称出重物的质量。2安装置：按图将检查、调整好的打点计时器竖直固安装置：按图将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。定在铁架台上，接好电路。3打纸带：将纸带的一端用夹子固

12、定在重物上，另一打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手提着纸带使重物静止在端穿过打点计时器的限位孔，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，然后再松开纸带，靠近打点计时器的地方。先接通电源，然后再松开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换纸带，按上述要求再重复让重物带着纸带自由下落。更换纸带，按上述要求再重复做做35次。次。5测距离：用毫米刻度尺测出测距离：用毫米刻度尺测出O点到点到1、2、3各计各计数点的距离，求出重物对应于各点下落的高度数点的距离，求出重物对应于各点下落的高度h1、h2、h3并将各点对应的高度填入设计的表格中。并将各点对应的

13、高度填入设计的表格中。方法三：图像法。方法三：图像法。误差分析误差分析1系统误差：系统误差：在只有重力对物体做功时，物体在只有重力对物体做功时，物体的动能和重力势能可以相互转化，且动能和重力势的动能和重力势能可以相互转化，且动能和重力势能的总和保持不变。但实验不可避免地存在阻力能的总和保持不变。但实验不可避免地存在阻力(打打点计时器与纸带间的摩擦阻力、空气阻力等点计时器与纸带间的摩擦阻力、空气阻力等)，重物，重物下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内能，下下落要克服阻力做功，部分机械能转化成内能，下落高度越大，机械能损失越多，所以实验数据出现落高度越大，机械能损失越多，所以实验数据出现了各计数

14、点对应的机械能依次略有减小的现象。改了各计数点对应的机械能依次略有减小的现象。改进的办法是改进器材，尽量减小阻力。进的办法是改进器材，尽量减小阻力。2偶然误差：偶然误差：在进行长度测量时，测量及读数不准造成在进行长度测量时，测量及读数不准造成误差。减小误差的办法：误差。减小误差的办法：(1)测量距离时从起始点测量距离时从起始点O开始一次测量完各点距离。开始一次测量完各点距离。(2)多测几次，取平均值。多测几次，取平均值。3打点计时器产生的误差：打点计时器产生的误差：(1)由于交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而由于交流电的周期不稳定，造成打点时间间隔变化而产生误差。产生误差。(2)振动片

15、振动不均匀，打点过浅或过紧造成误差；纸带振动片振动不均匀，打点过浅或过紧造成误差；纸带放置的方法不正确，计数点选取的不好，都会造成误差。放置的方法不正确，计数点选取的不好，都会造成误差。注意事项注意事项1尽量减小各种阻力而减小实验误差，可采取如尽量减小各种阻力而减小实验误差，可采取如下措施：下措施：(1)物体选用体积小、密度大的重锤，且在纸带下物体选用体积小、密度大的重锤，且在纸带下落前保持竖直，以减小系统误差。落前保持竖直，以减小系统误差。(2)打点计时器必须稳固安装在铁架台上，并且两打点计时器必须稳固安装在铁架台上，并且两个限位孔的中线要严格在同一竖直线上，以减小纸带个限位孔的中线要严格在

16、同一竖直线上，以减小纸带受到的摩擦阻力。受到的摩擦阻力。2实验时，必须先接通电源，让打点计时器正常实验时，必须先接通电源，让打点计时器正常且稳定工作后，再松开纸带让重物下落。且稳定工作后，再松开纸带让重物下落。3对纸带进行测量时，应一次性测出各计数点到对纸带进行测量时，应一次性测出各计数点到起始点起始点O的距离，不能分阶段测量，为了减小测量值的距离，不能分阶段测量，为了减小测量值h的相对误差，选取的各个计数点要离起始点的相对误差，选取的各个计数点要离起始点O尽量远一尽量远一些，纸带也不易过长，有效长度可在些，纸带也不易过长，有效长度可在6080 cm之间。之间。24练习练习. .下列关于下列关

17、于“验证机械能的转化和守恒验证机械能的转化和守恒”的的实验误差的说法中，正确的是（实验误差的说法中，正确的是（ ）A.A.重物的质量测量不准会产生误差重物的质量测量不准会产生误差B.B.重物的质量大一些重物的质量大一些, ,有利于减小误差有利于减小误差C.C.重物的质量小一些重物的质量小一些, ,有利于减小误差有利于减小误差D.D.先释放重物先释放重物, ,后接通电源会造成较大误差后接通电源会造成较大误差B B2某同学用图某同学用图(a)所示的实验装置验证机械能守恒定律，所示的实验装置验证机械能守恒定律，其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率其中打点计时器的电源为交流电源，可以使用的频率有有20 Hz、30 Hz和和40 Hz。打出纸带的一部分如图。打出纸带的一部分如图(b)所示。所示。该同学在实验中没有记录交流电的频率该同学在实验中没有记录交流电的频率f，需要用实验数，需要用实验数据和其他题给条件进行推算。据和其他题给条件进行推算。(1)若从打出的纸带可判定重物匀加速下落，利用若从打出的纸带可判定重物