高中物理 4.5 驗證機械能守恒定律課件 粵教版必修2.ppt

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第五節(jié) 驗證機械能守恒定律,目標導航,預習導引,目標導航,預習導引,二,一,三,四,一、機械能守恒定律 1.當只有重力做功時,物體的動能和重力勢能發(fā)生相互轉化,但機械能的總量保持不變. 2.做自由落體運動的物體,只受重力作用,其機械能是守恒的.,目標導航,二,一,預習導引,三,四,二、實驗原理 1.如圖甲所示,借助打點計時器打出的紙帶,測出物體自由下落的高度h和該時刻的速度v,以紙帶上的第n個點為例,如圖乙中的紙帶,打第n個計數點時的瞬時速度等于以該時刻為中間時刻的某一段時間內的平均速度.,目標導航,二,一,預習導引,三,四,目標導航,一,預習導引,二,三,四,三、實驗器材 鐵架臺(含鐵夾),打點計時器,學生電源,紙帶,復寫紙,導線, 毫米刻度尺,重物(帶紙帶夾).,目標導航,一,預習導引,二,三,四,四、實驗步驟 1.器材安裝:按如圖所示,將紙帶固定在重錘上,讓紙帶穿過打點計時器,用導線將打點計時器與低壓交流電源相連,此時電源開關應為斷開狀態(tài).,目標導航,一,預習導引,二,三,四,2.用手握住紙帶,讓重錘靜止在靠近打點計時器的地方,然后接通電源,松開紙帶,讓重錘自由落下,紙帶上打下一系列小點. 3.從打出的幾條紙帶中挑選第一、二點間的距離接近2 mm且點跡清晰的紙帶進行測量,記下第一個點的位置O,并在紙帶上從任意點開始依次選取幾個點1、2、3、4、,并量出各點到O點的距離h1、h2、h3、,計算相應的重力勢能減少量mghn.,目標導航,一,預習導引,二,三,四,預習交流 選取紙帶時,為什么要選第一、二點間距離接近2 mm 的紙帶? 答案:這個實驗是通過重物的自由落體運動來驗證機械能守恒定律的,據自由落體運動規(guī)律, 時,h=1.96 mm.所以,若第一、二兩點間的距離接近2 mm,說明重物是在打第一個點時開始下落的.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,一、實驗步驟和注意事項 注意事項: 1.實驗中安裝打點計時器時,限位孔必須在同一豎直線上,以減少摩擦阻力.打點計時器離地面高度約1 m,實驗用的紙帶60 cm左右即可. 2.實驗時,必須先接通電源,讓打點計時器工作正常以后才能松開紙帶,讓重物下落. 3.紙帶上端要用手提著使其靜止,這樣可保證下落的初速度為零,并且紙帶上打出的第一個點是清晰的一個小點. 4.測量下落高度時,都必須從起點算起.為了減小測量h值的誤差,選取的各個計數點要離起始點遠些.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,【例1】 用如圖所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律.實驗所用的電源為學生電源,輸出電壓為6 V的交流電和直流電兩種.重錘從高處由靜止開始落下,重錘上拖著的紙帶通過打點計時器打出一系列的點,對紙帶上的點的痕跡進行測量,即可驗證機械能守恒定律.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,(1)下面列舉了該實驗的幾個操作步驟: A.按照圖示的裝置安裝器件; B.將打點計時器接到電源的直流輸出端; C.用天平測量出重錘的質量; D.釋放懸掛紙帶的夾子,同時接通電源開關打出一條紙帶; E.測量打出的紙帶上某些點之間的距離; F.根據測量的結果計算重錘下落過程中減少的重力勢能是否等于增加的動能. 指出其中沒有必要進行或者操作不恰當的步驟,將其對應的字母填在下面的橫線上,并說明原因.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,(2)利用這個裝置也可以測量重錘下落的加速度a的數值,如圖所示.根據打出的紙帶,選取紙帶上打出的連續(xù)五個點A、B、C、D、E,測出A點距起始點O的距離為s0,點A、C間的距離為s1,點C、E間的距離為s2,交流電源的頻率為f,則根據這些條件計算重錘下落的加速度a的表達式為a= .,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,解析:(1)本題是對實驗步驟的考查.仔細分析可知,步驟B是錯誤的,應該接到電源的交流輸出端;步驟D是錯誤的,應該先接通電源,待打點穩(wěn)定后再釋放紙帶;步驟C不必要,根據測量原理,重錘的動能和勢能中都包含了質量m,可以約去. (2)根據勻變速直線運動規(guī)律s=aT2,有,答案:(1)見解析,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,某同學利用重物自由下落來“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置如圖甲所示.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,(1)請指出實驗裝置中存在的明顯錯誤: . (2)進行實驗時,為保證重物下落時初速度為零,應 (選填“A”或“B”). A.先接通電源,再釋放紙帶 B.先釋放紙帶,再接通電源 (3)根據打出的紙帶,選取紙帶上連續(xù)打出的1、2、3、4四個點如圖乙所示.已測出點1、2、3、4到打出的第一個點O的距離分別為h1、h2、h3、h4,打點計時器的打點周期為T.若代入所測數據能滿足表達式gh3= ,則可驗證重物下落過程機械能守恒(用題目中已測出的物理量表示). 答案:(1)打點計時器接在了“直流電源”上 (2)A,遷移應用,典題例解,一,二,知識精要,二、數據處理和誤差分析 實驗誤差來源與分析 (1)在測量重錘下落的高度與計算某點的瞬時速度時,都要涉及長度的測量.測量過程中必然帶來偶然誤差.減小這種誤差的方法:保證測量時從O點開始測量;選取的計數點應盡可能離O點遠些,以減小相對誤差. (2)重物在拖著紙帶下落過程中必然受到阻力作用,主要是打點計時器與紙帶的摩擦力以及空氣的阻力.克服這些阻力做功要消耗能量,所以重錘動能的增加量Ek必定小于重力勢能的減少量Ep.這是實驗設計上帶來的系統(tǒng)誤差.減小這種誤差的方法:使打點計時器的限位孔在同一豎直線上,適當增加重錘的質量,減小重錘的體積等.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,【例2】 在“驗證機械能守恒定律”的實驗中,所用電源的頻率為50 Hz,某同學選擇了一條理想的紙帶,用刻度尺測量時各點位置對應刻度尺上的讀數如圖所示(圖中O是打點計時器打的第一個點,A、B、C、D是間隔一段所取的點,圖中單位為厘米),根據實驗并結合紙帶回答以下問題:(g取9.8 m/s2),一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,(1)現有器材:電磁打點計時器;低壓交流電源;紙帶;帶夾子的重物;刻度尺;天平;導線;鐵架臺.其中該實驗不需要的器材是 ; (2)實驗時,釋放紙帶與接通電源的合理順序是 ; (3)實驗中,要從幾條打上點的紙帶中挑選第一、二兩點間的距離接近 mm并且點跡清晰的紙帶進行測量; (4)若重物的質量為m kg,則重物下落到B點時,減少的重力勢能為 ; (5)若重物的質量為m kg,則重物下落到B點時,重物的動能為 ; (6)由紙帶計算重物下落的加速度為 .注:(4)、(5)、(6)三題小數點后面保留兩位小數,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,解析:(1)實驗中,不需測量重物的質量,所以不需要的器材是天平. (2)實驗中應先接通電源,后釋放紙帶. (3)若釋放紙帶時恰好打點,紙帶上一、二兩點間的距離,答案:(1)天平 (2)先接通電源,后釋放紙帶 (3)2 (4)6.88m J (5)6.85m J (6)9.63 m/s2,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,某同學根據機械能守恒定律,設計實驗探究彈簧的彈性勢能與壓縮量的關系.,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,(1)如圖(a),將輕質彈簧下端固定于鐵架臺,在上端的托盤中依次增加砝碼,測量相應的彈簧長度,部分數據如下表.由數據算得勁度系數k= N/m.(g取9.8 m/s2),(2)取下彈簧,將其一端固定于氣墊導軌左側,如圖(b)所示;調整導軌,使滑塊自由滑動時,通過兩個光電門的速度大小 . (3)用滑塊壓縮彈簧,記錄彈簧的壓縮量x;釋放滑塊,記錄滑塊脫離彈簧后的速度v.釋放滑塊過程中,彈簧的彈性勢能轉化為 .,一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,(4)重復(3)中的操作,得到v與x的關系如圖(c).由圖可知,v與x成 關系.由上述實驗可得結論:對同一根彈簧,彈性勢能與彈簧的 成正比.,(c),一,二,遷移應用,典題例解,知識精要,答案:(1)49.550.5 (2)相等 (3)滑塊的動能 (4)正比 x2 解析:(1)由F=kx得F=kx,代入表中數據可得出k值.(2)滑塊滑行過程中無摩擦阻力,自由滑動時導軌已調整到水平狀態(tài),故滑塊此時勻速運動.(3)當不考慮空氣阻力、摩擦等因素且導軌又調到水平狀態(tài)時,釋放滑塊的過程中只涉及彈簧的彈性勢能與滑塊的動能,即能量只在這兩種形式的能量之間轉化.(4)v-x圖線是過原點的直線,故vx.因Ep=Ek=,