《实验：验证机械能守恒定律》课件

《实验：验证机械能守恒定律》一.机械能守恒定律内容：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以互相转化，而总的机械能保持不变。条件：只有重力做功或者弹力做功

自由落体运动沿光滑斜面滑动匀速圆周运动平抛运动、竖直平面圆周运动……二、实验原理

二、实验原理

验证：是否需要测量重物的质量？验证机械能守恒定律则不需要；若要计算重物的重力势能、动能及其改变量则需要。

想一想

三、实验器材资料四、实验步骤资料五、数据处理

五、数据处理资料五、数据处理计数点ABCDEFGhn(×10-2m)vn(m/s)ghn(m2/s2)将测量的数据填入表格中

想一想

五、数据处理计数点ABCDEFGhn(×10-2m)11.6114.8818.3422.3026.5031.2836.20vn(m/s)1.6831.8552.0402.2452.425ghn(m2/s2)将计算的瞬时速度数据记录在表格中五、数据处理计数点ABCDEFGhn(×10-2m)11.6114.8818.3422.3026.5031.2836.20vn(m/s)1.6831.8552.0402.2452.4251.4151.7212.0812.5202.940ghn(m2/s2)1.4581.7982.1862.5973.066分别计算出vn2/2、ghn填入表格，北京：g=9.8015m/s2

六、实验结论

在实验误差允许的范围内，自由落体运动中的物体，只有重力做功，其重力势能和动能互相转化，总机械能保持不变。七、误差分析在处理数据时发现：重物动能的增加量总是稍小于重力势能的减小量，这是为什么？计数点ABCDEFG1.4151.7212.0812.5202.940ghn(m2/s2)1.4581.7982.1862.5973.066七、误差分析打点计时器阻力空气阻力七、误差分析打点计时器阻力限位孔竖直电火花打点计时器电磁打点计时器七、误差分析空气阻力重物选取质量大、密度大计数点ABCDEFGhn(×10-2m)11.6114.8818.3422.3026.5031.2836.20vn(m/s)1.6831.8552.0402.2452.4251.4151.7212.0812.5202.940ghn(m2/s2)1.4581.7982.1862.5973.066起始点下落任意一点

局限性测出高度差hCD和两点的速度vC、vD

下落任意两点计数点CDhCD(×10-2m)3.96vn(m/s)1.8552.0401.7212.081

下落任意两点第一点到各个点下落的高度h各点瞬时速度v图像法测量O

图像法

O图像法过原点斜率为g

实验数据计数点BCDEFhn(×10-2m)14.8818.3422.3026.5031.28vn2/2(m2/s2)1.4151.7212.0812.5202.940图像法BCDEFy=9.4001x+0.0053k=9.4001g=9.8015m/s2误差：斜率略小于g起始点到下落过程的任意一点下落过程中任意两点图像法数据处理均能验证机械能守恒定律注意事项1

接通电源

释放重物

先开电源物后放，保证记录第一点先后

需要测量重物质量吗？可任意选取吗？选取原则和原因？注意事项2重物质量重物质量可不测质量大、密度大减小阻力影响注意事项3重物瞬时速度可以用运动学公式计算吗？

用机械能守恒定律验证机械能守恒定律从纸带直接测量计算

例：在实验验证机械能守恒定律时，某同学按照正确的操作选得纸带如图。其中O是起始点，A、B、C是打点计时器连续打下的3点，该同学用毫米尺测量O到A、B、C各点的距离，并记录在图中（单位：cm）（1）数据不符合读数要求的是：______，应记作_______cm.

15.715.70

重力势能的单位为J，1J=1kgm2/s2

(2)重物的重力势能减小量为______，动能的增加量为_______（均保留三位有效数字）。由于系统误差存在使得重力势能减小量_______（填“大于”、“小于”或“等于”）动能的增量，原因是____________________。1.22m1.20m大于重物克服阻力做功例：利用气垫导轨验证“机械能守恒定律”实验装置气垫导轨水平桌面调至水平挡光条光电门A:将气垫导轨放在水平桌面上，将导轨调至水平B:测出挡光条的宽度dC:将滑块移至图示位置，测出挡光条到光电门的距离lD:释放滑块，读出挡光条通过光电门的挡光时间tE:用天平称出托盘和砝码的总质量m托盘和砝码1.在滑块从静止释放到运动到光电门的过程中，系统的重力势能减少了多少？系统滑块挡光条托盘砝码动能增加，重力势能不变动能增加，重力势能减小1.在滑块从静止释放到运动到光电门的过程中，系统的重力势能减少了多少？系统的重力势能减少即为托盘和砝码重力势能的减少：mgh=mgl

2.为验证机械能守恒定律，还需要测量哪个物理量？系统滑块挡光条托盘砝码

2.为验证机械能守恒定律，还需要测量哪个物理量？系统滑块挡光条托盘砝码

3.若要符合机械能守恒定律的结论，以上测得的物理量应该满足怎样的关系？系统的重力势能减少=系统动能的增加

实验：验证机械能守恒定律实验原理实验步骤数据处理从初始点到下落任意点下落过程中的任意两点图像法

课堂小结实验原理实验步骤数据处理注意事项先接通电源再释放纸带重物质量可不测，合理选取v、h不可用运动学公式实验：验证机械能守恒定律课堂小结

探究一实验步骤和数据处理情境导引实验中,某同学计算出各点对应速度的二次方值,并测出从第一个点到这点高度差h,作出v2-h图像,如图所示,为了验证机械能守恒定律,他应该做哪些分析?要点提示

计算出直线斜率k,若在误差允许的范围内k=2g,则验证了机械能守恒定律。知识归纳参考案例一

研究自由下落物体的机械能1.【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:选取点迹较为清晰且有两点间的距离约为2mm的纸带,把纸带上打出的两点间的距离为2mm的第一个点作为起始点,记作O,在距离O点较远处再依次选出计数点1、2、3…(4)测距离:用刻度尺测出O点到计数点1、2、3…的距离,即为对应下落的高度h1、h2、h3…2.【数据处理】(1)方法一:利用起始点和第n点

(2)方法二:任取两点A、B(3)方法三:图像法

参考案例二

研究沿斜面下滑物体的机械能1.【实验步骤】(1)调装置:把气垫导轨调成倾斜状态;安装两个数字毫秒计,使其相距较远;(2)接气源:接通气泵电源,使滑块沿倾斜导轨下滑并先后通过两个数字毫秒计;(3)测数据:测量滑块的质量m、下降的高度Δh(两个数字毫秒计间的高度差),记录遮光条的宽度d和两次的遮光时间Δt1、Δt2。例1某实验小组“用落体法验证机械能守恒定律”,实验装置如图甲所示。实验中测出重物自由下落的高度h及对应的瞬时速度v,计算出重物减小的重力势能mgh和增加的动能

mv2,然后进行比较,如果两者相等或近似相等,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下列问题:甲

迁移应用乙

丙(1)关于上述实验,下列说法正确的是

(填选项前的字母)。

A.重物最好选择密度较小的木块B.重物的质量可以不测量C.实验中应先接通电源,后释放纸带D.可以利用公式v=来求解瞬时速度(2)如图乙是该实验小组打出的一条点迹清晰的纸带,纸带上的O点是起始点,选取纸带上连续的点A、B、C、D、E、F作为计数点,并测出各计数点到O点的距离依次为27.94cm、32.78cm、38.02cm、43.65cm、49.66cm、56.07cm。已知打点计时器所用的电源是50Hz的交流电,重物的质量为0.5kg,则从计时器打下点O到打下点D的过程中,重物减小的重力势能ΔEp=

J;重物增加的动能ΔEk=

J,两者不完全相等的原因可能是

。(重力加速度g取9.8m/s2,计算结果保留三位有效数字)

(3)实验小组的同学又正确计算出图乙中打下计数点A、B、C、D、E、F各点的瞬时速度v,以各计数点到A点的距离h'为横轴,v2为纵轴作出图像,如图丙所示,根据作出的图像,能粗略验证自由下落的物体机械能守恒的依据是

。

答案

(1)BC

(2)2.14

2.12

重物下落过程中受到阻力作用

(3)图像的斜率等于19.52,约为重力加速度g的两倍,故能验证例2现利用如图所示装置验证机械能守恒定律。图中AB是固定的光滑斜面,斜面的倾角为30°,1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门,与它们连接的光电计时器都没有画出。让滑块从斜面的顶端滑下,光电门1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为5.00×10-2s、2.00×10-2s。已知滑块质量为2.00kg,滑块沿斜面方向的长度为5.00cm,光电门1和2之间的距离为0.54m。(g取9.80m/s2,取滑块经过光电门时的速度为其平均速度)

(1)滑块经过光电门1时的速度v1=

m/s,通过光电门2时的速度v2=

m/s。

(2)滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为

J,重力势能的减少量为

J。答案

(1)1.00

2.50

(2)5.25

5.29探究二实验误差分析与注意事项情境导引实验时,有同学根据自由落体运动的位移公式h=gt2计算出纸带上第1、2两点间的距离应该接近2mm,所以选择纸带时一定选择满足这一条件的纸带,你认为他说的正确吗?为什么?要点提示

不正确。如果根据公式ghAB=来验证机械能守恒定律,不需要用到开头的点,所以这一要求就没有必要了。知识归纳参考案例一

研究自由下落物体的机械能1.【误差分析】(1)在进行长度测量时,测量及读数不准造成误差。(2)重物下落要克服阻力做功,从而导致重物的动能变化量略小于对应的重力势能的变化量。(3)由于交变电流的周期不稳定,造成打点时间间隔变化而产生误差。2.【注意事项】(1)打点计时器安装要稳固,并使两限位孔的中线在同一竖直线上,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,可使空气阻力的影响相对减小。(3)实验时,应先接通电源,让打点计时器正常工作后再松开纸带让重物下落。(4)重物下落过程的始点和终点应适当远些。(5)本实验中的两种验证方法均不需要测重物的质量m。参考案例二

研究沿斜面下滑物体的机械能1.【误差分析】(1)测量滑块下滑高度不准确造成误差。(2)滑块下滑过程中不可避免地要克服阻力做功,从而导致动能的变化量略小于对应的重力势能的变化量。2.【注意事项】(1)气垫导轨的轨面不能敲、碰,如果有灰尘污物,可用棉球蘸酒精擦净。(2)适当增大两个光电门之间的距离。(3)滑块内表面光洁度很高,严防划伤,更不容许掉在地上。(4)