2018-2019學(xué)年高中物理 第四章 機(jī)械能和能源 第五節(jié) 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律課件 粵教版必修2.ppt

第五節(jié) 驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,第四章 機(jī)械能和能源,內(nèi)容索引,自主預(yù)習(xí) 預(yù)習(xí)新知 夯實(shí)基礎(chǔ),重點(diǎn)探究 啟迪思維 探究重點(diǎn),達(dá)標(biāo)檢測 檢測評價 達(dá)標(biāo)過關(guān),自主預(yù)習(xí),1.會用打點(diǎn)計(jì)時器打下的紙帶計(jì)算物體運(yùn)動的速度. 2.掌握利用自由落體運(yùn)動驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的原理和方法. 3.設(shè)計(jì)另外一種能驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)方案.,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?針對只有重力對物體做功的過程，比較物體重力勢能的變化量與動能變化量，若滿足 ，則說明機(jī)械能守恒.,二、實(shí)驗(yàn)原理,EpEk,(一)自由落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒 1.實(shí)驗(yàn)器材： 鐵架臺(帶鐵夾)、 、重物(帶夾子)、 、復(fù)寫紙、導(dǎo)線、毫米刻度尺、低壓交流電源(46 V). 2.實(shí)驗(yàn)步驟 (1)安裝裝置：按圖1甲所示把打點(diǎn)計(jì)時器安裝在 鐵架臺上，用導(dǎo)線把打點(diǎn)計(jì)時器與電源連接好.,三、兩個驗(yàn)證方案,電磁打點(diǎn)計(jì)時器,圖1,紙帶,(2)打紙帶：在紙帶的一端把重物用夾子固定好，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時器的限位孔，用手豎直提起紙帶使重物?？吭诖螯c(diǎn)計(jì)時器附近.先接通電源后釋放紙帶，讓重物拉著紙帶自由下落.重復(fù)幾次，得到35條打好點(diǎn)的紙帶. (3)選紙帶：從打好點(diǎn)的紙帶中挑選點(diǎn)跡清晰且開始的兩點(diǎn)間距接近2 mm的一條紙帶，在起始點(diǎn)標(biāo)上0，以后任取間隔相同時間的點(diǎn)依次標(biāo)上1、2、3. (4)測距離：用刻度尺測出0到1、2、3的距離，即為對應(yīng)下落的高度h1、h2、h3.,3.數(shù)據(jù)處理 (1)計(jì)算各點(diǎn)對應(yīng)的瞬時速度：根據(jù)公式vn ，計(jì)算出1、2、3 n點(diǎn)的瞬時速度v1、v2、v3vn. (2)機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證 方法一：利用起始點(diǎn)和第n點(diǎn). 如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)ghn v n2，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證. 方法二：任取兩點(diǎn)A、B. 如果在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)ghAB ，則機(jī)械能守恒定律得到驗(yàn)證.,方法三：圖象法(如圖2所示).,圖2,若在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)圖線是一條過原點(diǎn)且斜率為g的直線，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律. 4.誤差分析 本實(shí)驗(yàn)的誤差主要是由紙帶測量產(chǎn)生的偶然誤差以及重物和紙帶運(yùn)動中的空氣阻力及打點(diǎn)計(jì)時器的摩擦阻力引起的系統(tǒng)誤差.,5.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) (1)打點(diǎn)計(jì)時器安裝要穩(wěn)固，并使兩限位孔的中線在同一豎直線上，以減小摩擦阻力. (2)應(yīng)選用質(zhì)量和密度較大的重物，增大重力可使阻力的影響相對減小，增大密度可以減小體積，可使空氣阻力的影響相對減小. (3)實(shí)驗(yàn)時，應(yīng)先接通電源，讓打點(diǎn)計(jì)時器正常工作后再松開紙帶讓重物下落. (4)本實(shí)驗(yàn)中的兩種驗(yàn)證方法均不需要測重物的質(zhì)量m.,(二)用擺球與DISLab系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒 1.實(shí)驗(yàn)步驟 (1)在鐵架臺上端用鐵架懸掛一個擺球(如圖3),(2)在方格紙上確定4至5個點(diǎn)作為測量點(diǎn). (3)分別安裝光電傳感器，并使之與數(shù)據(jù)采集器相連接. (4)讓擺球從某一高度向下擺動，分別測定擺球在擺動過程中任意時刻的動能和重力勢能. (5)研究每一個測量點(diǎn)上機(jī)械能的總量的特點(diǎn).,圖3,2.誤差分析 (1)本實(shí)驗(yàn)中擺球在運(yùn)動過程中受到阻力作用，引起實(shí)驗(yàn)中動能的增加量小于重力勢能的減少量. (2)光電傳感器的靈敏度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有影響. 3.注意事項(xiàng) (1)擺球運(yùn)動時，應(yīng)使其軌跡在一豎直面內(nèi)，避免擺球做圓錐擺運(yùn)動. (2)調(diào)整帶方格紙的木板，應(yīng)使其豎線在豎直方向上. (3)為準(zhǔn)確測定擺球在各位置的瞬時速度，可在擺球下部安置一塊擋光片，并確保擋光片在豎直面內(nèi).,重點(diǎn)探究,例1 在利用自由落體運(yùn)動驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，電源的頻率為50 Hz，依次打出的點(diǎn)為0、1、2、3、4、n，則： (1)如用第2點(diǎn)到第6點(diǎn)之間的紙帶來驗(yàn)證，必須直接測量的物理量為_、_、_ _，必須計(jì)算出的物理量為_、 _，驗(yàn)證的表達(dá)式為_.,一、實(shí)驗(yàn)原理及基本操作,第2點(diǎn)到第6點(diǎn)之間的距離h26,第1點(diǎn)到第3點(diǎn)之間的距離h13,到第7點(diǎn)之間的距離h57,第5點(diǎn),第2點(diǎn)的瞬時速度v2,第6點(diǎn)的瞬時速度v6,答案,解析,解析 要驗(yàn)證從第2點(diǎn)到第6點(diǎn)之間的紙帶對應(yīng)重物的運(yùn)動過程中機(jī)械能守恒，應(yīng)測出第2點(diǎn)到第6點(diǎn)的距離h26，要計(jì)算第2點(diǎn)和第6點(diǎn)的速度v2和v6，必須測出第1點(diǎn)到第3點(diǎn)之間的距離h13和第5點(diǎn)到第7點(diǎn)之間的距離h57，機(jī)械能守恒的表達(dá)式為mgh26 .,(2)下列實(shí)驗(yàn)步驟操作合理的排列順序是_(填寫步驟前面的字母). A.將打點(diǎn)計(jì)時器豎直安裝在鐵架臺上. B.先接通電源，再松開紙帶，讓重物自由下落. C.取下紙帶，更換新紙帶(或?qū)⒓垘Х瓊€面)重新做實(shí)驗(yàn). D.將重物固定在紙帶的一端，讓紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時器，用手提著紙帶. E.選擇一條紙帶，用刻度尺測出物體下落的高度h1、h2、h3、hn，計(jì)算出對應(yīng)的瞬時速度v1、v2、v3、vn. F.分別算出 mv n2和mghn，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)看是否相等.,答案,ADBCEF,處理實(shí)驗(yàn)問題，要明確實(shí)驗(yàn)原理，根據(jù)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，有針對性的分析問題.,針對訓(xùn)練 (多選)用自由落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，就是看 mvn2是否等于mghn(n為計(jì)數(shù)點(diǎn)的編號).下列說法中正確的是 A.打點(diǎn)計(jì)時器打第一個點(diǎn)0時，重物的速度應(yīng)為零 B.hn是計(jì)數(shù)點(diǎn)n到起始點(diǎn)0的距離 C.必須測量重物的質(zhì)量 D.用vngtn計(jì)算vn時，tn(n1)T(T為打點(diǎn)周期),答案,解析,解析 本實(shí)驗(yàn)的原理是利用重物的自由落體運(yùn)動來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律.因此打點(diǎn)計(jì)時器打第一個點(diǎn)時，重物運(yùn)動的速度應(yīng)為零，A正確； hn與vn分別表示打第n個點(diǎn)時重物下落的高度和對應(yīng)的瞬時速度，B正確；,例2 某實(shí)驗(yàn)小組“用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4甲所示.實(shí)驗(yàn)中測出重物自由下落的高度h及對應(yīng)的瞬時速度v，計(jì)算出重物減少的重力勢能mgh和增加的動能 mv2，然后進(jìn)行比較，如果兩者相等或近似相等，即可驗(yàn)證重物自由下落過程中機(jī)械能守恒.請根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和步驟完成下列問題：,二、數(shù)據(jù)處理及誤差分析,圖4,(1)關(guān)于上述實(shí)驗(yàn)，下列說法中正確的是_. A.重物最好選擇密度較小的木塊 B.重物的質(zhì)量可以不測量 C.實(shí)驗(yàn)中應(yīng)先接通電源，后釋放紙帶 D.可以利用公式v 來求解瞬時速度,BC,答案,解析,解析 重物最好選擇密度較大的鐵塊，受到的阻力較小，故A錯誤. 本題是以自由落體運(yùn)動為例來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，需要驗(yàn)證的方程是mgh mv2，因?yàn)槲覀兪潜容^mgh、 mv2的大小關(guān)系，故m可約去，不需要用天平測量重物的質(zhì)量，操作時應(yīng)先接通電源，再釋放紙帶，故B、C正確. 不能利用公式v 來求解瞬時速度，否則體現(xiàn)不了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，卻變成了理論推導(dǎo)，故D錯誤.,(2)如圖乙是該實(shí)驗(yàn)小組打出的一條點(diǎn)跡清晰的紙帶，紙帶上的O點(diǎn)是起始點(diǎn)，選取紙帶上連續(xù)的點(diǎn)A、B、C、D、E、F作為計(jì)數(shù)點(diǎn)，并測出各計(jì)數(shù)點(diǎn)到O點(diǎn)的距離依次為27.94 cm、32.78 cm、38.02 cm、43.65 cm、49.66 cm、56.07 cm.已知打點(diǎn)計(jì)時器所用的電源是50 Hz的交流電，重物的質(zhì)量為0.5 kg，則從計(jì)時器打下點(diǎn)O到打下點(diǎn)D的過程中，重物減小的重力勢能Ep_ J；重物增加的動能Ek_ J，兩者不完全相等的原因可能是_.(重力加速度g取9.8 m/s2，計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字),答案,重物下落過程中受到阻力作用,2.14,2.12,解析,解析 重力勢能減小量Epmgh0.59.80.436 5 J2.14 J.利用勻變速直線運(yùn)動的推論：,動能增加量EkEkD02.12 J.由于存在阻力作用，所以減小的重力勢能大于動能的增加.,(3)實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)又正確計(jì)算出圖乙中打下計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E、F各點(diǎn)的瞬時速度v，以各計(jì)數(shù)點(diǎn)到A點(diǎn)的距離h為橫軸，v2為縱軸作出圖象，如圖丙所示，根據(jù)作出的圖線，能粗略驗(yàn)證自由下落的物體機(jī)械能守恒的依據(jù)是_.,答案,圖象的斜率等于19.52 m/s2，約為重力加速度g的兩倍，故能驗(yàn)證,解析,當(dāng)圖象的斜率為重力加速度的2倍時，即可驗(yàn)證機(jī)械能守恒，,因此能粗略驗(yàn)證自由下落的物體機(jī)械能守恒.,例3 某同學(xué)研究小球擺動過程中機(jī)械能守恒，他用的DIS的裝置如圖5(a)所示，在實(shí)驗(yàn)中，選擇以圖象方式顯示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，所顯示的DIS圖象如圖(b)所示，圖象的橫軸表示小球距D點(diǎn)的高度h，縱橫表示擺球的重力勢能Ep、動能Ek或機(jī)械能E.,三、用擺球與DISLab系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,圖5,(1)在圖(b)中，表示小球的動能Ek隨小球距D點(diǎn)的高度h變化關(guān)系的圖線是_.,丙,答案,解析,解析 根據(jù)題圖(b)所示的實(shí)驗(yàn)圖象可知，小球的動能與重力勢能之和等于常數(shù)，即在誤差允許范圍內(nèi)，只有重力做功時，物體的機(jī)械能守恒.,(2)根據(jù)圖(b)所示的實(shí)驗(yàn)圖象，可以得出的結(jié)論是_ _.,只有重力做功時，物體的機(jī)械能守恒,答案,在誤差允許范圍內(nèi)，,解析,達(dá)標(biāo)檢測,1,2,3,1.(實(shí)驗(yàn)器材及誤差分析)如圖6為驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.現(xiàn)有的器材為：帶鐵夾的鐵架臺、電磁打點(diǎn)計(jì)時器、紙帶、帶鐵夾的重錘.回答下列問題： (1)為完成此實(shí)驗(yàn)，除了所給的器材，還需要的器材有_.(填入正確選項(xiàng)前的字母) A.米尺 B.秒表 C.低壓直流電源 D.低壓交流電源,答案,解析,圖6,AD,解析 在處理數(shù)據(jù)時需要測量長度，故需要米尺；電磁打點(diǎn)計(jì)時器工作時需要使用低壓交流電源；所以選項(xiàng)A、D正確.,1,2,3,(2)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生誤差的原因有：_(寫出兩個原因即可).,答案,解析,答案 紙帶和打點(diǎn)計(jì)時器之間有摩擦. 用米尺測量紙帶上點(diǎn)的位置時讀數(shù)有誤差. 計(jì)算勢能變化時，選取始末位置過近. 交流電頻率不穩(wěn)定.(任選其二),1,2,3,解析 造成誤差的原因有：紙帶和打點(diǎn)計(jì)時器之間有摩擦. 用米尺測量紙帶上點(diǎn)的位置時讀數(shù)有誤差. 計(jì)算勢能變化時，選取始末位置過近. 交流電頻率不穩(wěn)定.,1,2,3,(3)實(shí)驗(yàn)中由于打點(diǎn)計(jì)時器兩限位孔不在同一豎直線上，使紙帶通過時受到較大阻力，這樣將造成_.,B,答案,解析,2.(數(shù)據(jù)處理)用落體法驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中： (1)運(yùn)用公式 mgh對實(shí)驗(yàn)條件的要求是_， 打點(diǎn)計(jì)時器打點(diǎn)的時間間隔為0.02 s，則所選擇的紙帶第1、2兩點(diǎn)間的距離應(yīng)接近_.,答案,解析,1,2,3,2 mm,重物從靜止開始自由下落,(2)若實(shí)驗(yàn)中所用重物的質(zhì)量m1 kg，打點(diǎn)紙帶如圖7所示，打點(diǎn)時間間隔為0.02 s，則記錄B點(diǎn)時，重物的速度vB_，重物的動能EkB_，從開始下落起至B點(diǎn)時重物的重力勢能減少量是_，由此可得出的結(jié)論是_(g 9.8 m/s2，結(jié)果保留三位有效數(shù)字).,答案,解析,1,2,3,在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)重物的機(jī)械能守恒,0.585 m/s,0.171 J,0.172 J,圖7,1,2,3,3.(實(shí)驗(yàn)原理及誤差分析)如圖8所示，兩個質(zhì)量各為m1和m2的小物塊A和B，分別系在一條跨過定滑輪的軟繩兩端，已知m1m2.現(xiàn)要利用此裝置驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律. (1)若選定物塊A從靜止開始下落的過程中進(jìn)行測量，則需要測量的物理量有_(填序號). 物塊的質(zhì)量m1、m2； 物塊A下落的距離及下落這段距離所用的時間； 物塊B上升的距離及上升這段距離所用的時間； 繩子的長度.,答案,1,2,3,圖8,或,(2)為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，某小組同學(xué)對此實(shí)驗(yàn)提出以下建議： 軟繩的質(zhì)量要輕； 在“輕質(zhì)繩”的前提下，繩子越長越好； 盡量保證物塊只沿豎直方向運(yùn)動，不要搖晃； 兩個物塊的質(zhì)量之差要盡可能小. 以上建議中確實(shí)對提高準(zhǔn)確度有作用的是_.(填序號),答案,1,2,3,(3)寫出一條上面沒有提到的對提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度有益的建議：_.,答案,1,2,3,答案 例如：“對同一高度進(jìn)行多次測量取平均值”“選取受力后相對伸長量盡量小的繩”“盡量減小滑輪的質(zhì)量”“對滑輪轉(zhuǎn)動軸進(jìn)行潤滑”等等.(任選一個即可),