人教版（2019）物理必修第二册 8.5 实验：验证机械能守恒定律课件(共33张PPT)
文档属性
| 名称 | 人教版（2019）物理必修第二册 8.5 实验：验证机械能守恒定律课件(共33张PPT) |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 60.5MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-11-23 20:13:14 | ||
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文档简介
(共33张PPT)
8.5 实验：验证机械能守恒定律
1. 要弄清实验目的，本实验为验证性实验，目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律。
2．要明确实验原理，掌握实验的操作方法与技巧、学会实验数据的采集与处理，能够进行实验误差的分析，深化对机械能守恒定律的理解。
3．通过学生自主学习，培养学生设计实验、采集数据，处理数据及实验误差分析的能力。
学习重点：（1）验证机械能守恒定律的实验原理。（2）实验原理及方法的选择及掌握。
学习难点：实验误差分析的方法。
机械能守恒定律告诉我们，在只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能相互转化时总的机械能保持不变。
思考： 那么，我们可以通过什么样的实验来验证这一定律呢？
一、实验思路
方案一：自由落体运动
自由落体运动中只有重力做功，满足机械能守恒的条件。
h
v
O
方案二：光滑斜面
沿光滑斜面下滑的物体受重力和支持力，但支持力与物体位移方向垂直对物体不做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。
v
mg
N
方案三：单摆的摆动
细线的拉力与小球的运动方向垂直，对物体不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有重力做功，也满足机械能守恒的条件。
A
C
二、物理量的测量
验证机械能守恒定律，涉及的物理量有动能和势能，所以需要测量物体的质量、物体所处位置的高度以及物体的运动速度这三个物理量。
思考：如果实验要求计算势能和动能的具体数据，那就必须要知道物体的质量；如果只是验证机械能守恒定律，那么还必须测物体的质量吗？
因为左右两边质量，可以消去，所以可以不测物体质量。
三、数据分析
实验中可采用两种验证方案来验证机械能守恒定律。
1.计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足
2.计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足
实验一：研究自由下落物体的机械能
1.实验原理
物体自由下落时，如果不计空气阻力，物体的机械能守恒，即重力势能的减少等于动能的增加。
2. 实验器材
打点计时器、纸带、复写纸、重物、刻度尺、
铁架台（带铁夹）、学生电源等。
3.实验步骤
（1）把打点计时器安装在铁架台上，并接好学生电源。
（2）把纸带的一端用夹子固定在重锤上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带，使重锤停靠在打点计时器附近。
（3）接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重锤自由下落，打点计时器应该在纸带上打出一系列的点。
（4）重复上一步的过程，打三到五条纸带。
（5）选择一条点迹清晰且第l、2点间距离接近2mm的纸带，在起始点标上0，以后各点依次为1、2、3……用刻度尺测量对应下落的高h1、h2、h3、……记入表格中。
（6）用公式vn=（hn+1+hn-1）/2t，计算出各点的瞬时速度v1、v2、v3……并记录在表中。
（7）计算各点的重力势能的减少量mgh和动能的增加量1/2mvn2，并进行比较．看是否相等，将数值填入表格内。
计数点n hn/m Vn/ms-1 mghn
1 0.1440
2 0.1790 1.86 0.5248 0.5176
3 0.2184 2.065 0.6404 0.6379
4 0.2616 2.258 0.7671 0.7627
5 0.3087 2. 435 0.9052 0.8887
6 0.3590 2.635 1.0526 1.0387
7 0.4141
m=0.2992kg g=9.8m/s2
结论：在实验误差允许范围内重力势能减少量为mghn动能增加量 相等，即机械能守恒。
验证机械能守恒定律视频
问题1：选择重物时，选轻一点的好还是重一点的好？为什么？
我们要求重物作自由落体运动，而阻力是不可避免地存在的，为了减少阻力对实验的影响，应采用密度较大的重物。
问题2：安装打点计时器时，应注意什么问题？这样做的目的是什么
计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，计时器要稳定在铁架台上，并将计时器伸出桌外。
减小纸带与限位孔的摩擦带来的实验误差；保证重物有足够的下落空间，以便在纸带上能够打出较多的点，有利于进行计算．
问题3：释放纸带时应注意什么问题？
释放重物前，重物应靠近打点计时器，以便能打出较多的点。拉稳纸带的上端，确保重物由静止释放。
问题4： ：本实验要不要测量物体的质量？
mgh =
gh=
如果实验要求计算势能和动能的具体数据，那就必须要知道物体的质量。只是验证机械能守恒定律可以不测量物体的质量。
问题5：实验时，接通电源和释放纸带的顺序怎样？
先通电源，再释放纸带。
问题6：纸带上的头两个点间的距离为什么应接近2mm？
因为起始点的速度应该为零，t=0.02s，g=10m/s2
思考讨论1：速度能不能用 v = gt 计算？
这种方法认为加速度为g ，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际加速度必将小于g，这样将得到机械能增加的结论，有阻力作用机械能应该是减少的，故这种方法也不能用。
思考讨论2：如何测量物体的瞬时速度
自由落体运动是匀变速直线运动，所以可以根据学过的匀变速直线运动的规律来物体的瞬时速度。
做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于相邻两点间的平均速度。
B 点的瞬时速度等于 A、C 点之间的平均速度。
任取两点A、B，计算重力势能的减少量mghA-mghA动能增加量
则机械能守恒定律得到验证。
如果在实验误差允许范围内
思考讨论3：你能说出验证机械能守恒定律的其它方法吗
A
B
Δh
4.误差分析
本实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差，测量时采取多次测量求平均值的方法来减小偶然误差。
重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差.实验中注意安装打点计时器使两限位孔中线竖直，并且选择质量适当大些、体积尽量小些的重物来减小系统误差。
实验二：研究沿斜面下滑物体的机械能
1.实验原理
物体沿斜面下滑时，如果不计斜面的摩擦阻力，物体的机械能守恒，即重力势能的减少等于动能的增加。
1
P
A
B
2
2.实验器材
气垫导轨、数字计时器、滑块
研究沿斜面下滑物体的机械能的实验装置
3.实验步骤：
（1）实验操作中，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，重力势能减小，动能增大。
（2）用光电门测量滑块的瞬时速度。测量滑块下降的高度 Δh 和初、末速度 v1、v2。
（3）如果在实验误差允许范围内 则机械能守恒定律得到验证。
例1. 用如图甲所示的实验装置验证物块A、B组成的系统机械能守恒。B从高处由静止开始下落，A上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。如图乙给出的是实验中获取的一条纸带，0是打下的第一个点，每相邻两个计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图乙所示。已知物块A、B的质量分别为m1=50 g、m2=150 g，打点计时器所接电源的频率为50 Hz。（g取10 m/s2，结果保留2位有效数字）
（1）下面列举了该实验的几个操作步骤：
A.按照图示的装置安装器材；B.将打点计时器接到直流电源上；
C.先释放B，再接通电源打出一条纸带；D.测量纸带上某些点间的距离；
E.根据测量的结果，分别计算系统减少的重力势能和增加的动能
其中操作不当的步骤是_________（填选项对应的字母）。
（2）在纸带上打下计数点5时的速度v=__________m/s。
（3）在打点0~5过程中系统动能的增加ΔEk=_______ J，系统势能的减少量ΔEp=_________J，
由此得出的结论是_______________________________________________。
在误差允许的范围内，A、B组成的系统机械能守恒
B C
2.4
0.58
0.6
变式训练：某实验小组的同学利用落体法验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示，该小组的同学完成了如下的操作：
(2)将直径为d的小球由光电门1的正上方无初速度释放，测得小球先后通过光电门1和光电门2所用的时间为Δt1和Δt2，则小球通过两光电门的速度分别为v1=________， v2=________；(用测量的物理量表示)
(3)该小组的同学测出了两光电门之间的距离为H，重力加速度用g表示，若小球的机械能守恒，则需要验证的关系式为________________。(结果用所测量的物理量表示)。
技法点拨：
解决本题的关键知道实验的原理，通过原理确定所需测量的物理量，以及要验证的关系式；在平时的学习中，需加以总结，要熟记求纸带上某点瞬时速度的求法.
验证机械能守恒定律
实验目的：验证机械能守恒
方案二：光滑斜面
方案一：自由落体
实验原理
实验方案
1.验证动量守恒定律的实验中,关于入射小球在斜槽上释放点的高低对实验影响,下列说法正确的是 ( )
A. 释放点越低,小球受阻力越小,入射小球速度越小,误差越小
B. 释放点越低,两球碰后水平位移越小,水平位移测量的相对误差越小,两球速度的测量越准确
C. 释放点越高,两球相碰时,相互作用的内力越大,碰撞前后动量之差越小,误差越小
D. 释放点越高,入射小球对被碰小球的作用力越大,轨道对小球的阻力越小
C
2.在做验证机械能守恒定律实验时,发现重物减少的势能总是大于重物增加的动能,造成这种现象的主要原因是( )
A. 选用的重物质量过大
B. 选用的重物质量过小
C. 空气对重物的阻力和打点计时器对纸带的阻力
D. 实验时操作不太仔细,实验数据测量不准确
C
3. 某位同学做“验证机械能守恒定律”实验,下列操作步骤中错误的是( )
A. 把电磁打点计时器固定在铁架台上,用导线连接到低压交流电源上
B. 将连有重物的纸带穿过限位孔,将纸带和重物提升到一定高度
C. 先释放纸带,再接通电源
D. 更换纸带,重复实验,根据记录处理数据
C
4. (多选)在“验证机械能守恒定律”的实验中,下列说法正确的是( )
A.重锤的质量相等时,密度大的好
B.必须用天平称出重锤的质量,以便计算重锤的重力势能和动能
C.为了减小实验误差,重锤的质量要适当大一些
D.重锤下落的瞬时速度可用v=gt求出
AC
5. 在“验证机械能守恒定律”的实验中，得到了一条如图所示的纸带，纸带上的点记录了物体在不同时刻的位置.当打点计时器打点4时，物体的动能增加量的表达式为ΔEK=_________________，物体的重力势能减少量的表达式为ΔEP=________，实验中是通过比较____________________________ 来验证机械能守恒定律的.(设物体的质量为m，交流电周期为T)
再见
8.5 实验：验证机械能守恒定律
1. 要弄清实验目的，本实验为验证性实验，目的是利用重物的自由下落验证机械能守恒定律。
2．要明确实验原理，掌握实验的操作方法与技巧、学会实验数据的采集与处理，能够进行实验误差的分析，深化对机械能守恒定律的理解。
3．通过学生自主学习，培养学生设计实验、采集数据，处理数据及实验误差分析的能力。
学习重点：（1）验证机械能守恒定律的实验原理。（2）实验原理及方法的选择及掌握。
学习难点：实验误差分析的方法。
机械能守恒定律告诉我们，在只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能相互转化时总的机械能保持不变。
思考： 那么，我们可以通过什么样的实验来验证这一定律呢？
一、实验思路
方案一：自由落体运动
自由落体运动中只有重力做功，满足机械能守恒的条件。
h
v
O
方案二：光滑斜面
沿光滑斜面下滑的物体受重力和支持力，但支持力与物体位移方向垂直对物体不做功，这种情况也满足机械能守恒的条件。
v
mg
N
方案三：单摆的摆动
细线的拉力与小球的运动方向垂直，对物体不做功。如果忽略空气阻力，这个过程中只有重力做功，也满足机械能守恒的条件。
A
C
二、物理量的测量
验证机械能守恒定律，涉及的物理量有动能和势能，所以需要测量物体的质量、物体所处位置的高度以及物体的运动速度这三个物理量。
思考：如果实验要求计算势能和动能的具体数据，那就必须要知道物体的质量；如果只是验证机械能守恒定律，那么还必须测物体的质量吗？
因为左右两边质量，可以消去，所以可以不测物体质量。
三、数据分析
实验中可采用两种验证方案来验证机械能守恒定律。
1.计算物体在选定位置上动能与势能的和是否满足
2.计算重物在某两点间的动能变化和势能变化是否满足
实验一：研究自由下落物体的机械能
1.实验原理
物体自由下落时，如果不计空气阻力，物体的机械能守恒，即重力势能的减少等于动能的增加。
2. 实验器材
打点计时器、纸带、复写纸、重物、刻度尺、
铁架台（带铁夹）、学生电源等。
3.实验步骤
（1）把打点计时器安装在铁架台上，并接好学生电源。
（2）把纸带的一端用夹子固定在重锤上，另一端穿过打点计时器的限位孔，用手竖直提起纸带，使重锤停靠在打点计时器附近。
（3）接通电源，待计时器打点稳定后再松开纸带，让重锤自由下落，打点计时器应该在纸带上打出一系列的点。
（4）重复上一步的过程，打三到五条纸带。
（5）选择一条点迹清晰且第l、2点间距离接近2mm的纸带，在起始点标上0，以后各点依次为1、2、3……用刻度尺测量对应下落的高h1、h2、h3、……记入表格中。
（6）用公式vn=（hn+1+hn-1）/2t，计算出各点的瞬时速度v1、v2、v3……并记录在表中。
（7）计算各点的重力势能的减少量mgh和动能的增加量1/2mvn2，并进行比较．看是否相等，将数值填入表格内。
计数点n hn/m Vn/ms-1 mghn
1 0.1440
2 0.1790 1.86 0.5248 0.5176
3 0.2184 2.065 0.6404 0.6379
4 0.2616 2.258 0.7671 0.7627
5 0.3087 2. 435 0.9052 0.8887
6 0.3590 2.635 1.0526 1.0387
7 0.4141
m=0.2992kg g=9.8m/s2
结论：在实验误差允许范围内重力势能减少量为mghn动能增加量 相等，即机械能守恒。
验证机械能守恒定律视频
问题1：选择重物时，选轻一点的好还是重一点的好？为什么？
我们要求重物作自由落体运动，而阻力是不可避免地存在的，为了减少阻力对实验的影响，应采用密度较大的重物。
问题2：安装打点计时器时，应注意什么问题？这样做的目的是什么
计时器平面与纸带限位孔调整在竖直方向，计时器要稳定在铁架台上，并将计时器伸出桌外。
减小纸带与限位孔的摩擦带来的实验误差；保证重物有足够的下落空间，以便在纸带上能够打出较多的点，有利于进行计算．
问题3：释放纸带时应注意什么问题？
释放重物前，重物应靠近打点计时器，以便能打出较多的点。拉稳纸带的上端，确保重物由静止释放。
问题4： ：本实验要不要测量物体的质量？
mgh =
gh=
如果实验要求计算势能和动能的具体数据，那就必须要知道物体的质量。只是验证机械能守恒定律可以不测量物体的质量。
问题5：实验时，接通电源和释放纸带的顺序怎样？
先通电源，再释放纸带。
问题6：纸带上的头两个点间的距离为什么应接近2mm？
因为起始点的速度应该为零，t=0.02s，g=10m/s2
思考讨论1：速度能不能用 v = gt 计算？
这种方法认为加速度为g ，由于各种摩擦阻力不可避免，所以实际加速度必将小于g，这样将得到机械能增加的结论，有阻力作用机械能应该是减少的，故这种方法也不能用。
思考讨论2：如何测量物体的瞬时速度
自由落体运动是匀变速直线运动，所以可以根据学过的匀变速直线运动的规律来物体的瞬时速度。
做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于相邻两点间的平均速度。
B 点的瞬时速度等于 A、C 点之间的平均速度。
任取两点A、B，计算重力势能的减少量mghA-mghA动能增加量
则机械能守恒定律得到验证。
如果在实验误差允许范围内
思考讨论3：你能说出验证机械能守恒定律的其它方法吗
A
B
Δh
4.误差分析
本实验的误差主要是由纸带测量产生的偶然误差，测量时采取多次测量求平均值的方法来减小偶然误差。
重物和纸带运动中的空气阻力及打点计时器的摩擦阻力引起的系统误差.实验中注意安装打点计时器使两限位孔中线竖直，并且选择质量适当大些、体积尽量小些的重物来减小系统误差。
实验二：研究沿斜面下滑物体的机械能
1.实验原理
物体沿斜面下滑时，如果不计斜面的摩擦阻力，物体的机械能守恒，即重力势能的减少等于动能的增加。
1
P
A
B
2
2.实验器材
气垫导轨、数字计时器、滑块
研究沿斜面下滑物体的机械能的实验装置
3.实验步骤：
（1）实验操作中，把气垫导轨调成倾斜状态，滑块沿倾斜的气垫导轨下滑时，重力势能减小，动能增大。
（2）用光电门测量滑块的瞬时速度。测量滑块下降的高度 Δh 和初、末速度 v1、v2。
（3）如果在实验误差允许范围内 则机械能守恒定律得到验证。
例1. 用如图甲所示的实验装置验证物块A、B组成的系统机械能守恒。B从高处由静止开始下落，A上拖着的纸带打出一系列的点，对纸带上的点迹进行测量，即可验证机械能守恒定律。如图乙给出的是实验中获取的一条纸带，0是打下的第一个点，每相邻两个计数点间还有4个点（图中未标出），计数点间的距离如图乙所示。已知物块A、B的质量分别为m1=50 g、m2=150 g，打点计时器所接电源的频率为50 Hz。（g取10 m/s2，结果保留2位有效数字）
（1）下面列举了该实验的几个操作步骤：
A.按照图示的装置安装器材；B.将打点计时器接到直流电源上；
C.先释放B，再接通电源打出一条纸带；D.测量纸带上某些点间的距离；
E.根据测量的结果，分别计算系统减少的重力势能和增加的动能
其中操作不当的步骤是_________（填选项对应的字母）。
（2）在纸带上打下计数点5时的速度v=__________m/s。
（3）在打点0~5过程中系统动能的增加ΔEk=_______ J，系统势能的减少量ΔEp=_________J，
由此得出的结论是_______________________________________________。
在误差允许的范围内，A、B组成的系统机械能守恒
B C
2.4
0.58
0.6
变式训练：某实验小组的同学利用落体法验证机械能守恒定律，实验装置如图甲所示，该小组的同学完成了如下的操作：
(2)将直径为d的小球由光电门1的正上方无初速度释放，测得小球先后通过光电门1和光电门2所用的时间为Δt1和Δt2，则小球通过两光电门的速度分别为v1=________， v2=________；(用测量的物理量表示)
(3)该小组的同学测出了两光电门之间的距离为H，重力加速度用g表示，若小球的机械能守恒，则需要验证的关系式为________________。(结果用所测量的物理量表示)。
技法点拨：
解决本题的关键知道实验的原理，通过原理确定所需测量的物理量，以及要验证的关系式；在平时的学习中，需加以总结，要熟记求纸带上某点瞬时速度的求法.
验证机械能守恒定律
实验目的：验证机械能守恒
方案二：光滑斜面
方案一：自由落体
实验原理
实验方案
1.验证动量守恒定律的实验中,关于入射小球在斜槽上释放点的高低对实验影响,下列说法正确的是 ( )
A. 释放点越低,小球受阻力越小,入射小球速度越小,误差越小
B. 释放点越低,两球碰后水平位移越小,水平位移测量的相对误差越小,两球速度的测量越准确
C. 释放点越高,两球相碰时,相互作用的内力越大,碰撞前后动量之差越小,误差越小
D. 释放点越高,入射小球对被碰小球的作用力越大,轨道对小球的阻力越小
C
2.在做验证机械能守恒定律实验时,发现重物减少的势能总是大于重物增加的动能,造成这种现象的主要原因是( )
A. 选用的重物质量过大
B. 选用的重物质量过小
C. 空气对重物的阻力和打点计时器对纸带的阻力
D. 实验时操作不太仔细,实验数据测量不准确
C
3. 某位同学做“验证机械能守恒定律”实验,下列操作步骤中错误的是( )
A. 把电磁打点计时器固定在铁架台上,用导线连接到低压交流电源上
B. 将连有重物的纸带穿过限位孔,将纸带和重物提升到一定高度
C. 先释放纸带,再接通电源
D. 更换纸带,重复实验,根据记录处理数据
C
4. (多选)在“验证机械能守恒定律”的实验中,下列说法正确的是( )
A.重锤的质量相等时,密度大的好
B.必须用天平称出重锤的质量,以便计算重锤的重力势能和动能
C.为了减小实验误差,重锤的质量要适当大一些
D.重锤下落的瞬时速度可用v=gt求出
AC
5. 在“验证机械能守恒定律”的实验中，得到了一条如图所示的纸带，纸带上的点记录了物体在不同时刻的位置.当打点计时器打点4时，物体的动能增加量的表达式为ΔEK=_________________，物体的重力势能减少量的表达式为ΔEP=________，实验中是通过比较____________________________ 来验证机械能守恒定律的.(设物体的质量为m，交流电周期为T)
再见