8.5 实验：验证机械能守恒定律 课件 2023-2024学年高一物理人教版(2019)必修第二册(共35张PPT)
文档属性
| 名称 | 8.5 实验：验证机械能守恒定律 课件 2023-2024学年高一物理人教版(2019)必修第二册(共35张PPT) |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 78.6MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2024-01-10 16:27:26 | ||
图片预览
文档简介
(共35张PPT)
宣讲人：某某某 时间：20XX.XX
第5节 实验：验证机械能守恒定律
第八章 机械能守恒定律
学习目标
1.通过对实验思路和方案的思考分析,进一步理解机械能守恒定律。
2.通过动手做实验,掌握实验的操作技能，提升动手能力。
目录
01
实验思路
02
物理量的测量
03
实验方案设计及其数据处理
1、什么叫机械能守恒？
2、机械能守恒的条件是什么？
3、自由落体运动的物体，机械能守恒吗？
4、质量为m的物体从O点自由下落，以地面为零参考面，经过A、B两点的速度分别为vA和vB，A、B两点距地面的高度分别为hA、hB。如何推导机械能守恒的表达式？
5、我们可以通过什么样的实验来验证这一定律呢？
实验目的：验证机械能守恒定律
一、实验思路
问题：你觉得我们要按照什么样的思路设计实验验证，我们如何设计实验方案。
方案一：自由落体
方案二：光滑斜面
方案三：系统守恒
... ....
二、实验方案设计及其数据处理
方案一：自由落体法
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。
（1）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
（2）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
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
2.实验器材
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。
各计数点 l 2 3 4 5 6
下落高度
速度
势能
动能
（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mvn2，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
问题1：本实验要不要测量物体的质量？
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。
4.数据处理
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。
h = gt2= ×9.8×0.022m < 2 mm
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
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
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；
0
h
v 2
1
2
该图象的斜率表示什么？
为什么图象过原点？
图象法处理数据
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。
5.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：
重物下落过程中受空气阻力；
纸带与打点计时器之间存在摩擦阻力。
(2)减小误差的措施：
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）；
用电火花计时器代替电磁打点计时器；
安装打点计时器时保证两个限位孔竖直；
释放纸带时，保证纸带竖直。
（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。
6.注意事项
（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。
方案二：光滑斜面法
1.实验原理：
利用气垫导轨和数字计时器记录物体沿光滑斜面下滑的运动过程。
气垫导轨上有很多小孔，气泵送来的压缩空气从小孔喷出，使得滑块与导轨之间有一层薄薄的空气层，两者不会直接接触。这样，滑块运动时受到的阻力很小，实验的精确度能大大提高。
2.实验器材：
气垫导轨
光电门
数字计时器
3.实验步骤:
（1）按如图所示安装实验装置。
（2）把气垫导轨调成倾斜状态，将滑块从导轨最高一端静止释放。
（3）测量滑块和挡光片的质量，用光电门测量滑块的瞬时速度。
（4）测量滑块下降的高度 Δh 和初、末速度 v1、v2。
4.物理量的测量及数据处理
(1)测量两光电门之间的高度差Δh。
(2)根据滑块经过两光电门时遮光条的遮光时间Δt1和Δt2，计算滑块经过两光电门时的瞬时速度。
若遮光条的宽度为△L，则滑块经过两光电门时的速度分别为， 。
(3)若在实验误差允许范围内满足，则验证了机械能守恒定律。
5.误差分析
两光电门之间的距离稍大一些，可以减小误差；遮光条的宽度越小，误差越小。
方案三：系统守恒
1.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。
由m1和m2组成的系统，m2>m1,将m2由静止，系统重力势能的减少量等于动能的增加量。
其他创新设计
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。
验证机械能守恒定律的实验设计思路：
机械能守恒定律的条件
只有重力或弹力做功
符合机械能守恒定律的条件的运动
测量的物理量
3.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
A
1.某同学用如图甲所示装置“验证机械能守恒定律”时，所用交流电源的频率为50 Hz，得到如图乙所示的纸带.选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起点O的距离为s0＝19.00 cm，点A、C间的距离为s1＝8.36 cm，点C、E间的距离为s2＝9.88 cm，g取9.8 m/s2，测得重物的质量为m＝1 kg。
(1)下列做法正确的有____。
A.必须要称出重物和夹子的质量
B.图中两限位孔必须在同一竖直线上
C.将连着重物的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手
尽量靠近打点计时器
D.实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源
E.数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、
末位置
B
(2)选取O、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是______J，打下C点时重物的速度大小是______m/s。(结果均保留三位有效数字)
(3)根据纸带算出打下各点时重物的速度v，量出下落距离s，则图像应是下列选项中的 。
2.68
2.28
C
宣讲人：某某某 时间：20XX.XX
第5节 实验：验证机械能守恒定律
第八章 机械能守恒定律
学习目标
1.通过对实验思路和方案的思考分析,进一步理解机械能守恒定律。
2.通过动手做实验,掌握实验的操作技能，提升动手能力。
目录
01
实验思路
02
物理量的测量
03
实验方案设计及其数据处理
1、什么叫机械能守恒？
2、机械能守恒的条件是什么？
3、自由落体运动的物体，机械能守恒吗？
4、质量为m的物体从O点自由下落，以地面为零参考面，经过A、B两点的速度分别为vA和vB，A、B两点距地面的高度分别为hA、hB。如何推导机械能守恒的表达式？
5、我们可以通过什么样的实验来验证这一定律呢？
实验目的：验证机械能守恒定律
一、实验思路
问题：你觉得我们要按照什么样的思路设计实验验证，我们如何设计实验方案。
方案一：自由落体
方案二：光滑斜面
方案三：系统守恒
... ....
二、实验方案设计及其数据处理
方案一：自由落体法
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。
（1）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
（2）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
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
2.实验器材
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。
各计数点 l 2 3 4 5 6
下落高度
速度
势能
动能
（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mvn2，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
问题1：本实验要不要测量物体的质量？
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。
4.数据处理
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。
h = gt2= ×9.8×0.022m < 2 mm
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
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
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；
0
h
v 2
1
2
该图象的斜率表示什么？
为什么图象过原点？
图象法处理数据
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。
5.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：
重物下落过程中受空气阻力；
纸带与打点计时器之间存在摩擦阻力。
(2)减小误差的措施：
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）；
用电火花计时器代替电磁打点计时器；
安装打点计时器时保证两个限位孔竖直；
释放纸带时，保证纸带竖直。
（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。
6.注意事项
（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。
方案二：光滑斜面法
1.实验原理：
利用气垫导轨和数字计时器记录物体沿光滑斜面下滑的运动过程。
气垫导轨上有很多小孔，气泵送来的压缩空气从小孔喷出，使得滑块与导轨之间有一层薄薄的空气层，两者不会直接接触。这样，滑块运动时受到的阻力很小，实验的精确度能大大提高。
2.实验器材：
气垫导轨
光电门
数字计时器
3.实验步骤:
（1）按如图所示安装实验装置。
（2）把气垫导轨调成倾斜状态，将滑块从导轨最高一端静止释放。
（3）测量滑块和挡光片的质量，用光电门测量滑块的瞬时速度。
（4）测量滑块下降的高度 Δh 和初、末速度 v1、v2。
4.物理量的测量及数据处理
(1)测量两光电门之间的高度差Δh。
(2)根据滑块经过两光电门时遮光条的遮光时间Δt1和Δt2，计算滑块经过两光电门时的瞬时速度。
若遮光条的宽度为△L，则滑块经过两光电门时的速度分别为， 。
(3)若在实验误差允许范围内满足，则验证了机械能守恒定律。
5.误差分析
两光电门之间的距离稍大一些，可以减小误差；遮光条的宽度越小，误差越小。
方案三：系统守恒
1.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。
由m1和m2组成的系统，m2>m1,将m2由静止，系统重力势能的减少量等于动能的增加量。
其他创新设计
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。
验证机械能守恒定律的实验设计思路：
机械能守恒定律的条件
只有重力或弹力做功
符合机械能守恒定律的条件的运动
测量的物理量
3.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
A
1.某同学用如图甲所示装置“验证机械能守恒定律”时，所用交流电源的频率为50 Hz，得到如图乙所示的纸带.选取纸带上打出的连续五个点A、B、C、D、E，测出A点距起点O的距离为s0＝19.00 cm，点A、C间的距离为s1＝8.36 cm，点C、E间的距离为s2＝9.88 cm，g取9.8 m/s2，测得重物的质量为m＝1 kg。
(1)下列做法正确的有____。
A.必须要称出重物和夹子的质量
B.图中两限位孔必须在同一竖直线上
C.将连着重物的纸带穿过限位孔，用手提住，且让手
尽量靠近打点计时器
D.实验时，先放开纸带，再接通打点计时器的电源
E.数据处理时，应选择纸带上距离较近的两点作为初、
末位置
B
(2)选取O、C两点为初、末位置验证机械能守恒定律，重物减少的重力势能是______J，打下C点时重物的速度大小是______m/s。(结果均保留三位有效数字)
(3)根据纸带算出打下各点时重物的速度v，量出下落距离s，则图像应是下列选项中的 。
2.68
2.28
C