42实验：验证机械能守恒定律课件(沪科版必修2)

第2课时实验：验证机械能守恒定律验证在只有重力做功时，物体的机械能守恒。只有重力做功时，重力势能和动能相互转化，机械能守恒，重力势能的减少量等于动能的增加量。方案一:铁架台、摆球、铅笔、DIS装置、刻度尺方案二：铁架台(带铁夹)、电磁打点计时器、重物、纸带(带夹子)、复写纸、导线、毫米刻度尺、低压交流电源(4V～6V)。方案一：用单摆和DIS装置验证机械能守恒一、实验步骤1.如图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.让小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。二、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一、实验步骤1.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。2.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靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做3～5次实验。3.选纸带选取点迹较为清晰的纸带，纸带上第一个点及距离第一个点较远的点依次标上0、1、2、3…4.测距离用刻度尺测出0点到1、2、3…的距离，即对应下落的高度h1、h2、h3…二、数据处理1.求瞬时速度标出所打的第一个点为O，并从稍靠后的某一点开始，依次标出1、2、3、4…并测量出各点到位置O的距离h1、h2、h3、h4…。用公式计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3、v4…2.守恒验证方法一：利用起始点计算利用起始点和第n点计算。代入ghn和，如果在实验误差允许的范围内，，则机械能守恒定律得到验证。方法二：任取两点计算(1)任取两点A、B测出hAB，求出ghAB。(2)求出A、B两点的瞬时速度，求出的值。(3)如果在实验误差允许的范围内，则机械能守恒定律得到验证。方法三：图像法从纸带上选取多个点，测量从第一点到其余各点的下落高度h，并计算各点速度的平方v2，然后以为纵轴，以h为横轴，根据实验数据绘出图线。若在误差允许的范围内图像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。1.本实验中因重物和纸带在下落过程中要克服各种阻力(空气阻力、打点计时器阻力)做功，故动能的增加量ΔEk稍小于重力势能的减少量ΔEp，即ΔEk<ΔEp，这属于系统误差。改进的办法是调整器材，尽可能减小阻力。2.本实验的另一个误差来源于长度的测量，属偶然误差。减小误差的办法是测下落距离时都从O点量起，一次将各点对应的下落高度测量完，或者多次测量取平均值。3.打点计时器产生的误差(1)由于交流电周期的变化，引起打点时间间隔变化而产生误差。(2)计数点选择不好，振动片振动不均匀，纸带放置方法不正确引起摩擦，造成实验误差。1.应尽可能控制实验，满足机械能守恒的条件，这就要求尽量减小各种阻力的影响，采取的措施有：(1)安装打点计时器时，必须使两个限位孔的中线严格竖直，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，使空气阻力减小。2.实验中，提纸带的手要保持不动，且保证纸带竖直。接通电源后，等打点计时器工作稳定后再松开纸带。3.验证机械能守恒时，可以不测出重物质量，只要比较和ghn是否相等即可验证机械能是否守恒。4.测量下落高度时，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远一些，纸带也不宜过长，有效长度可在60cm～80cm之间。5.速度不能用v=gt或v=计算，因为只要认为加速度为g，机械能当然守恒，即相当于用机械能守恒定律验证机械能守恒定律，况且用v=gt计算出的速度比实际值大，会得出机械能增加的错误结论，而因为摩擦阻力的影响，机械能应该减小，所以速度应从纸带上直接测量计算。同样的道理，重物下落的高度h，也只能用刻度尺直接测量，而不能用计算得到。对实验器材及步骤的考查【典例1】(2012·广州高一检测)某同学利用重物自由下落来“验证机械能守恒定律”的实验装置如图甲所示。(1)请指出实验装置中存在的明显错误：_________。(2)进行实验时，为保证重锤下落时初速度为零，应______(选填“A”或“B”)。A.先接通电源，再释放纸带B.先释放纸带，再接通电源(3)根据打出的纸带，选取纸带上连续打出的1、2、3、4四个点如图乙所示。已测出点1、2、3、4到打出的第一个点O的距离分别为h1、h2、h3、h4，打点计时器的打点周期为T。若代入所测数据能满足表达式gh3=______，则可验证重锤下落过程机械能守恒(用题目中已测出的物理量表示)。【规范解答】(1)从图甲中的实验装置中发现，打点计时器接在了“直流”电源上，打点计时器的工作电源是“低压交流电源”。因此，明显的错误是打点计时器不能接在“直流电源”上。(2)为了使纸带上打下的第1个点是速度为零的初始点，应该先接通电源，让打点计时器正常工作后，再释放纸带。若先释放纸带，再接通电源，当打点计时器打点时，纸带已经下落，打下的第1个点的速度不为零。因此，为保证重锤下落的初速度为零，应先接通电源，再释放纸带。(3)根据实验原理，只要验证即可验证机械能守恒定律。因此需求解v3。根据匀变速直线运动规律关系式可得，则有故只要验证成立，就可验证重锤下落过程中机械能守恒。答案:(1)打点计时器不能接“直流电源”(或打点计时器应接“交流电源”)(2)A(3)实验数据处理【典例2】在“验证机械能守恒定律”的实验中，某同学实验时，手总是抖动，找不出一条起始点迹清晰的纸带，该同学便选取一段纸带进行测量，如图所示，A、B、C、D、E、F是以2个计时点为1个计数点，其测量结果是AB=4.53cm,AC=10.58cm,AD=18.17cm,AE=27.29cm,AF=37.94cm。(1)若重物质量为m,从B到E重力势能减少了多少？(2)从B到E动能增加了多少？(3)试对实验结果进行分析。【规范解答】(1)ΔEp=mgΔh=mg·BE=m×9.8×(27.29-4.53)×10-2J=2.23mJ;