物理人教版（2019）必修第二册8.5 实验：验证机械能守恒定律（共57张ppt）

(共57张PPT)
验证机械能守恒定律第八章 第5节
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。
那么，我们可以通过什么样的实验来验证这一定律呢？
课堂引入
01
02
03
目录
方案二：光滑斜面
方案三：系统守恒
方案一：自由落体
04
方案四：创新设计
第一部分：自由落体法
一、实验原理及思路
【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。
【思路】若以重物下落的起始点O为基准，设重物的质量为m，测出物体自起始点O下落距离h时的速度v，则在误差允许范围内，若有 即验证了机械能守恒定律。
h
v
O
还有没有其他思路呢？
二、思路拓展
若以重物下落过程中的某一点A为基准，设重物的质量为m，测出物体对应于A点的速度vA 再测出物体由A点下落△h后经过B点的速度vB ,则在误差允许范围内，
若有
即验证了机械能守恒定律。
h
vB
O
B
A
vA
要完成上述验证需要准备哪些实验器材呢？
三、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。
夹子
打点计时器
纸带
重物
？
铁架台
具体该如何操作呢？
四、实验步骤
把打点计时器安装在铁架台上，并接好学生电源。
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。
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。
重复上一步的过程，打三到五条纸带。
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。
各计数点 l 2 3 4 5 6
下落高度
速度
势能
动能
结论
四、实验步骤
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。
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。
各计数点 l 2 3 4 5 6
下落高度
速度
势能
动能
结论
四、实验步骤
五、问题与探究
问题1：本实验要不要测量物体的质量？
mgh =
mv 2
1
2
gh =
v 2
1
2
方程两边都有质量m，可约去，可不测量物体的质量。
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。
五、问题与探究
h = gt2= ×9.8×0.022m < 2 mm
1
2
1
2
h
问题2：如何判定纸带上的第一个点就是纸带刚开始下落时打下的呢？
用 验证 ，这是以纸带上第一点（起始点）为基准验证机械能守恒定律的方法。纸带上的第一个点为计时起点0 ，该点的速度应该为零。
问题3：可以回避起始点吗（即处理纸带时可以不用起始点吗）
Δh
A
B
用 　 验证 ，我们可以选取A、B两点，比较它们的机械能EA和EB。若以点B为0势能点，则有：
EKA＋mgΔh＝EKB
五、问题与探究
五、问题与探究
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。
问题4：如何测物体的瞬时速度
v
0
t
vA
t 2t
vB
vC
五、问题与探究
问题5：能否用v=gt 或 求瞬时速度？
1.利用v=gt求瞬时速度，因重物下落过程中受阻力影响，重物实际加速度比g小，如果用v=gt来求瞬时速度，会导致计算出的速度比实际值大，从而导致△Ek大于△ EP，与事实不符；
2.利用 求瞬时速度，相当于默认
机械能守恒来验证机械能守恒；
六、实验数据处理
0
h
v 2
1
2
gh =
v 2
1
2
该图象的斜率表示什么？
为什么图象过原点？
结论：若在误差允许的范围内，图象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。
图像法
七、误差分析
思考：为什么重物的重力势能减少量略大于动能的增加量？ 如何减小它们之间的误差？
1.重物下落过程中克服阻力做功。
系统误差
阻力来源：
（1）重物下落过程中受空气阻力；
（2）纸带与打点计时器之间存在摩擦阻力。
2.减小误差的措施：
（1）减小重物下落时受到的空气阻力（选择体积小、密度大的重物）；
（2）用电火花计时器代替电磁打点计时器；
（3）安装打点计时器时保证两个限位孔竖直；
（4）释放纸带时，保证纸带竖直。
七、误差分析
思考：实验中是否存在其他误差？若存在如何减小误差？
测量纸带长度时存在误差
减小误差的措施：
（1）多次测量取平均值；
（2）依次测量后面的点与第一点之间的距离。
偶然误差
h
h2
h1
O
A
B
C
七、误差分析
八、注意事项
1.实验中安装打点计时器时，限位孔必须在同一竖直直线上，以减少摩擦阻力，计时器离地面的高度约1m，实验用的纸带60-80cm。
2.实验时，必须先接通电源，让打点计时器工作正常以后，才能松开纸带，让重物落下。
3.纸带上端要用手提着静止，这样保证下落时的速度v为0。并且纸带上打出的第一个点是清晰的一个小点。
4.测量下落高度时，都必须从起点算起，为了减小测量h值的误差，选取的各计数点要离起始点远些。
5.实验中重物和纸带下落过程中要克服阻力（注意是打点计时器的阻力）做功，所以动能的增加量 Ek一定小于重力势能的减少量 Ep。
6.铁架台上固定打点计时器的夹子不可伸出太长，
以防铁架台翻到。
八、注意事项
九、实验视频
第二部分：光滑斜面法
一、实验原理
二、实验器材
为了使系统误差更小，采用气垫导轨来减小摩擦。使用光电门测量瞬时速度。
气垫导轨
光电门
数字计时器
三、实验步骤
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。测量滑块和挡光片的质量，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。
四、实验视频
第三部分：系统守恒法
一、实验原理
砝码通过绕过定滑轮的细线牵连静止放在气垫导轨上的滑块，从静止释放。设砝码和托盘总质量为m，滑块和挡光条总质量为M。
二、实验步骤
1.将气垫导轨放在水平桌面上，桌面高度不低于1 m，将导轨调至水平；
2.测出挡光条的宽度l；
3.由导轨标尺读出两光电门中心间的距离s；
4.将滑块移至光电门1左侧某处，
待砝码静止时，释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；
5.从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电
门2所用的时间Δt1和Δt2；
6.用天平称出滑块和挡光条的总质量M，
再称出托盘和砝码的总质量m。
二、实验步骤
三、数据处理
1.滑块通过光电门1和光电门2时，瞬时速度分别为v1＝____和v2＝____.
2.当滑块通过光电门1和光电门2时，系统(包括滑块、挡光条、托盘和砝码)的总动
能分别为Ek1＝_____________和Ek2＝_____________。
3.在滑块从光电门1运动到光电门2的过程中，系统
重力势能的减少量 (重力加速度为g)。
ΔEp＝mgs
4.如果ΔEp＝___________________________，则可认为验证了机械能守恒定律。
第四部分：创新设计
一、实验原理
如图，悬挂在O点的小球摆到最低点时恰好与桌面接触但没有弹力，D处(箭头所指处)放一锋利的刀片，细线到达竖直位置时能被割断，小球做平抛运动落到地面，P是一刻度尺。该方案只需利用刻度尺测量A位置到桌面的高度H、桌面到地面的高度h及小球平抛运动的水平位移x即可验证机械能守恒。
二、验证过程
实验时可多次改变H值并测量与之对应的x值，利用作图像的方法验证。为了直观地表述H和x的关系，可用横轴表示H，纵轴表示x2，建立坐标系。
三、创新设计实验视频
第五部分：总结提升
课堂小结
目的：验证机械能守恒
方案：
原理：
验证机械能守恒定律
课堂练习
【练习1】利用如图所示的装置做“验证机械能守恒定律”实验。下列说法中正确的是（　）
A．实验中必须用天平测出重物的质量
B．必须用秒表测出重物下落的时间
C．应先释放纸带，后打开打点计时器的电源
D．释放纸带前，手捏住纸带上端并使纸带处于竖直方向
【参考答案】D
课堂练习
【练习2】如图是“验证机械能守恒定律”的装置，气垫导轨上安装了1、2两个光电门，滑块上固定一竖直遮光条，滑块用细线绕过定滑轮与钩码相连，细线与导轨平行。在调整气垫导轨水平时，滑块不挂钩码和细线，接通气源后，给滑块一个初速度，使它从轨道右端向左运动，发现滑块通过光电门2的时间大于通过光电门1的时间。为使气垫导轨水平，可采取的措施是（ ）
A．调节P使轨道左端升高一些
B．调节P使轨道左端降低一些
C．遮光条的宽度应适当大一些
D．滑块的质量增大一些
【参考答案】A
课堂练习
【练习3】某同学用图示的实验装置“验证机械能守恒定律”，图(b)是用6V、50Hz的打点计时器打出的一条纸带，O点为重锤下落的起点，选取的计数点A、B、C、D到O点的距离在图中已标出，重力加速度g取9.8 m/s2，重锤的质量为1 kg.(计算结果均保留两位有效数字)
(1)打点计时器打下B点时，重锤下落的速度vB＝____ m/s，
重锤的动能EkB＝________ J.
课堂练习
【解析】每两个计数点之间有一个计时点，则相邻两个计数点之间的时间间隔为t＝0.04 s，
课堂练习
(2)从起点O 到打下B点过程中，重锤的重力势能的减小量为_____ J.
【解析】重锤的重力势能减小量：
ΔEp＝mgh＝1×9.8×0.0740J≈0.73 J
课堂练习
(3)根据(1)、(2)计算，在误差允许范围内，从起点O到打下B点过程中，你得到的结论是_________________________.
重锤下落过程中机械能守恒
【解析】在误差允许范围内，由于重锤重力势能减小量等于重锤动能的增加量，重锤下落的过程中机械能守恒;
课堂练习
(4)如图是根据某次实验数据绘出的　－h图像，图线不过坐标原点的原因是 。
开始打点时重锤有一定的速度
课堂练习
【练习4】某实验小组为验证系统机械能守恒，设计了如图所示的装置，实验过程如下：
（1）用螺旋测微器测量砝码上端固定的遮光片厚度时，螺旋测微器示数如图乙所示，则d＝____________mm，
测得砝码和遮光片总质量 ；
【参考答案】 2.040
课堂练习
【练习4】（2）按图甲安装实验器材并调试，确保砝码竖直上下振动时，遮光片运动最高点高于光电门1的激光孔，运动最低点低于光电门2的激光孔；
（3）实验时，利用计算机记录弹簧拉伸量x及力传感器的读数F，画出F-x图像，如图丙所示；
【参考答案】C
课堂练习
课堂练习
课堂练习
【练习5】（2023·山东·模拟预测）在“用DIS研究机械能守恒定律”的实验中，光电门用来测量摆锤经过不同位置的瞬时速度，实验装置如图（a）。
课堂练习
【练习5】（2023·山东·模拟预测）在“用DIS研究机械能守恒定律”的实验中，光电门用来测量摆锤经过不同位置的瞬时速度，实验装置如图（a）。①（单选）关于在这个实验中光电门的使用，下列说法正确的是______；
A．调节摆线长，使摆锤摆动时摆线能通过光电孔
B．测量中，光电门始终固定在某个确定的位置
C．摆锤释放器的位置要随光电门的位置变化而作相应的调整
D．每次改变光电门的位置，要用测平器使光电门的光电孔与所测点位于同一水平线
【参考答案】C
课堂练习
①（单选）关于在这个实验中光电门的使用，下列说法正确的是_____；
A．调节摆线长，使摆锤摆动时摆线能通过光电孔
B．测量中，光电门始终固定在某个确定的位置
C．摆锤释放器的位置要随光电门的位置变化而作相应的调整
D．每次改变光电门的位置，要用测平器使光电门的光电孔与所测点位于同一水平线
【参考答案】D
课堂练习
【练习5】②在某次实验数据基础上，作出的摆锤在下摆过程中动能、重力势能随高度h变化的图象如图（b）所示，则其中___________（选填“I”或“II”）是摆锤动能随高度h变化的图线，该图线斜率大小等于___________。
【参考答案】 I 摆锤的重力
第六部分：直击高考
【2022广东卷· T11，7分】某实验小组为测量小球从某一高度释放，与某种橡胶材料碰撞导致的机械能损失，设计了如图（a）所示的装置，实验过程如下：
（1）让小球从某一高度由静止释放，与水平放置的橡胶材料碰撞后竖直反弹。调节光电门位置，使小球从光电门正上方释放后，在下落和反弹过程中均可通过光电门。
（2）用螺旋测微器测量小球的直径，示数如图（b）所示，小球直径d=_______mm。
（3）测量时，应__________（选填“A”或“B”，其中A为“先释放小球，后接通数字计时器”，B为“先接通数字计时器，
后释放小球”）。记录小球第一次和
第二次通过光电门的遮光时间t1和t2。
一、真题精选
二、真题解析
（4）计算小球通过光电门的速度，已知小球的质量为m，可得小球与橡胶材料碰撞导致的机械能损失△E=__________（用字母m、d、t1和t2表示）。
（5）若适当调高光电门的高度，
将会__________（选填“增大”或“减小”）
因空气阻力引起的测量误差。
三、参考答案